高熵合金（HEAs）因其優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕性和耐磨性，在工程應(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊前景，尤其在耐熱和抗損傷材料領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，作為新興的耐磨材料，其原子尺度的摩擦與磨損機制仍不明確，這限制了從多尺度角度建立完整的微觀結(jié)構(gòu)演化框架。

盡管已有研究揭示了HEAs在單軸加載下的獨特變形機制（如FCC-HCP雙向相變和孿晶誘導(dǎo)的晶粒重取向），但這些機制在摩擦剪切變形條件下是否依然適用尚不清楚。此外摩擦磨損涉及復(fù)雜的多物理場耦合過程（如機械、熱和氧化作用），從宏觀到原子尺度的跨尺度特性使得直接觀察微觀結(jié)構(gòu)演化具有挑戰(zhàn)性，需要通過先進實驗手段揭示其內(nèi)在機理。

針對上述高熵合金（HEAs）摩擦與磨損機制的研究問題，中南大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所等組成的研究團隊利用澤攸科技原位TEM進行了深入研究，他們通過原位透射電鏡摩擦實驗結(jié)合分子動力學(xué)（MD）模擬，揭示了Al0.1CoCrFeNi高熵合金在摩擦剪切變形下的原子尺度動態(tài)行為，該研究填補了HEAs原子摩擦機制的空白，為理解耐磨材料的微觀損傷機制提供了實驗與理論依據(jù)。相關(guān)成果以“Phase transformation induced by severe gradient shear deformation in an Al0.1CoCrFeNi alloy”為題發(fā)表在《Materials Characterization》上。

研究首先通過激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)制備了Al0.1CoCrFeNi合金樣品，并利用原位TEM摩擦實驗觀測了鎢針尖劃擦過程中的動態(tài)響應(yīng)。實驗發(fā)現(xiàn)，摩擦表面形成了約5 nm厚的非晶層，這是由高剪切應(yīng)變（表面達1.6，內(nèi)部降至0.3）導(dǎo)致的晶體-非晶轉(zhuǎn)變。更重要的是，在次表面約10 nm深度處，觀察到從[011]FCC到[001]FCC的晶格重取向相變，這一現(xiàn)象與堆垛層錯（SFs）交叉區(qū)域的應(yīng)變集中和弛豫直接相關(guān)。

圖 高熵合金在摩擦處理前后的微觀結(jié)構(gòu)表征

通過高分辨TEM分析，團隊進一步揭示了相變過程中的中間過渡相結(jié)構(gòu)。這些中間相源于{111}晶面內(nèi)原子滑移引起的晶格畸變——沿[2ī1]方向收縮而沿[211]方向膨脹，導(dǎo)致晶面夾角（如α1和α3）發(fā)生不對稱變化。分子動力學(xué)模擬驗證了上述實驗結(jié)果，表明[001]FCC納米晶優(yōu)先形成于堆垛層錯尖端，其穩(wěn)定性取決于局部應(yīng)變弛豫程度。此外，模擬還發(fā)現(xiàn)大量低角度晶界和堆垛層錯四面體（SFTs），這些缺陷通過阻礙位錯運動提升了合金的后續(xù)變形抗力。

圖 原位摩擦后表面下方不同位置的結(jié)構(gòu)演變

研究最后提出了摩擦誘導(dǎo)相變的機制框架：在梯度剪切應(yīng)變作用下，{111}晶面的原子滑移首先形成堆垛層錯；當(dāng)應(yīng)變在SFs交叉區(qū)達到臨界值時，通過晶格旋轉(zhuǎn)和重構(gòu)實現(xiàn)[011]→[001]相變。這一過程伴隨著顯著的晶格參數(shù)變化（如c軸膨脹、a/b軸壓縮），與傳統(tǒng)的孿生誘導(dǎo)重取向機制截然不同。

圖 分子動力學(xué)模擬的時序演變快照

該工作不僅報道了HEAs在摩擦載荷下的相變行為，還為設(shè)計高性能耐磨合金提供了新思路——通過調(diào)控堆垛層錯密度和應(yīng)變梯度，可能實現(xiàn)摩擦過程中自發(fā)的晶粒細化和強化。未來研究可進一步探索不同成分HEAs的摩擦相變規(guī)律，以及非晶/晶界協(xié)同效應(yīng)對磨損性能的影響。