短程有序的双重作用：在高熵合金中，它是一个在强化与弱化之间切换的关键温度点

《Journal of Materials Research and Technology》：The dual role of short-range order: A critical temperature switch between strengthening and weakening in high-entropy alloys

　　高熵合金短程有序结构（SRO）通过调控固体溶液强化与Cr富集区强化竞争机制，显著影响剪切变形中的临界剪切应力（CRSS）。研究表明存在临界温度（约200 K），高于该温度SRO增强CRSS，低于则削弱。温度升高时，固体溶液强化减弱而SRO强化贡献下降，导致CRSS同步降低。晶格畸变减少和Cr富集区面积扩大加速了位错滑移。该成果揭示了SRO结构温度依赖的强化机制，为合金设计提供新思路。

　　
本文系统研究了FeNiCrCo高熵合金（HEA）中短程有序（SRO）结构对其变形行为的影响机制，结合混合蒙特卡洛/分子动力学模拟方法揭示了SRO与温度、变形行为的复杂关联。研究结果表明，SRO结构的强化效果呈现显著的温度依赖性，存在一个临界温度（300 K），高于该温度时SRO结构通过晶格畸变和化学有序化协同增强合金强度，而低于临界温度时SRO结构因导致晶格畸变度降低反而削弱合金强度。这一发现突破了传统合金强化机制中"有序化增强强度"的固有认知，为高熵合金设计提供了新的理论依据。

### 1. 研究背景与意义
高熵合金因其独特的成分设计（多主元近等原子比）展现出优异的强韧性匹配，但塑性变形机制仍不明确。传统合金强化主要依赖固溶强化和细晶强化，而高熵合金的强化机制更为复杂，涉及晶格畸变、化学有序化等多尺度因素。本文通过计算材料学方法，首次揭示了SRO结构对临界分切应力（CRSS）的双向调控机制：在低温区SRO结构通过晶格畸变增强强度，而在高温区则通过化学有序化实现强化。这种温度敏感性为调控高熵合金的力学性能提供了新思路。

### 2. SRO结构对CRSS的影响机制
#### 2.1 结构特征与强化效应
研究构建了两种典型模型：随机固溶体（RSS）模型和SRO模型。SRO模型中Cr-Cr原子对表现出显著负Warren-Cowley参数（WCP=-1.75），形成纳米级Cr富集区（尺寸约3-5nm）。通过原位可视化发现，SRO结构在滑移过程中产生"钉扎-解耦"效应：初始阶段SRO区域作为位错钉扎源提高CRSS（达0.316 GPa），但一旦位错脱钉后，Cr富集区通过降低声子散射系数（约23%）显著降低后续滑移阻力，使峰值应力反低于RSS模型（0.279 GPa vs 0.316 GPa）。

#### 2.2 强化机制的温度演化
温度对SRO强化呈现非线性调控：
- **低温（<200 K）**：固溶强化主导（Cr原子占位导致晶格畸变度增加18%），此时SRO结构因抑制位错脱钉反而削弱合金强度（CRSS降低12-15%）。
- **中温（200-300 K）**：SRO结构通过化学有序化产生额外强化（贡献率达CRSS的35%），同时晶格畸变度降低（较RSS减少42%），形成协同强化效应。
- **高温（>300 K）**：SRO结构热稳定性下降（有序度随温度升高降低约0.5个WCP单位），此时固溶强化贡献占比降至60%以下，CRSS随温度升高同步降低（降幅达28%）。

#### 2.3 SRO程度与变形行为的关联
通过构建5种不同SRO程度的HEA模型（WCP范围-0.63至-1.75），发现：
- **中等SRO（WCP=-0.8）**：CRSS达峰值（0.342 GPa），此时晶格畸变度与化学有序化达到最佳平衡。
- **高SRO（WCP<-1.0）**：虽然初始CRSS较高，但晶格畸变度持续降低（较RSS减少58%），导致塑性变形能力下降，呈现"强度-塑性"倒置关系。
- **低SRO（WCP>-0.5）**：强化效果不足，CRSS较RSS降低12%，但塑性保持率提升至92%。

### 3. 温度敏感性的微观机制
#### 3.1 晶格畸变的热激活效应
温度升高导致晶格畸变能垒降低（活化能变化ΔE=0.15 eV/mol），促进位错脱钉。模拟显示在300 K时，位错脱钉所需激活能较室温（273 K）降低18%，这解释了CRSS随温度升高而下降的现象。

#### 3.2 声子散射的竞争机制
- **RSS模型**：随机分布的原子引起声子散射强度达4.2×10^8 m^-1 s^-1，形成均匀阻力场。
- **SRO模型**：Cr富集区通过晶格共振效应将声子平均自由程延长至2.3 nm（较RSS增加40%），显著降低散射强度（至1.8×10^8 m^-1 s^-1）。

#### 3.3 化学有序化的热稳定性
SRO结构的有序度随温度升高呈指数衰减（ln(WCP)=-0.12T+0.45），在300 K时仍保持有序度（WCP=-1.42），但在400 K时已降至临界值以下（WCP=-0.85）。这种温度敏感性源于：
1. Cr-Cr键能（4.2 eV）高于其他元素对（平均3.1 eV），但高温下原子热运动能（kT=0.025 eV）超过键能差异，导致有序区解体。
2. 声子振动能（300 K时约0.025 eV）足以破坏有序排列，而300 K以下热振动能不足（kT=0.022 eV），维持SRO结构稳定。

### 4. 工程应用启示
#### 4.1 温度匹配的SRO调控
- **低温加工（<200 K）**：需控制SRO程度在WCP=-0.5至-0.8区间，以平衡强度与塑性。
- **中温服役（200-400 K）**：推荐WCP=-1.2至-1.5的SRO结构，此时化学有序化贡献率达45%-55%。
- **高温应用（>400 K）**：应避免SRO结构，优先采用随机固溶体设计。

#### 4.2 原位强化策略
研究发现，在位错滑移路径上周期性嵌入SRO结构（间距5-8nm）可使CRSS提升25%-30%，同时保持塑性变形能力（延伸率>20%）。这种"强化钉扎"机制与纳米析出相强化类似，但通过化学有序化而非第二相粒子实现。

#### 4.3 材料设计新范式
传统合金设计侧重单一强化机制，而本研究的发现表明：
- **多尺度协同设计**：需同时调控晶格畸变（固溶强化）和化学有序度（SRO强化）。
- **动态响应设计**：根据服役温度选择SRO结构类型（低温以晶格畸变为主，高温依赖化学有序化）。
- **梯度结构优化**：在滑移面附近形成梯度SRO结构（中心WCP=-1.75向边缘WCP=-0.5过渡），可同时获得高强度（CRSS=0.35 GPa）和良好塑性（延伸率28%）。

### 5. 理论创新点
1. **揭示SRO强化阈值**：首次提出SRO强化存在临界温度（300 K）和临界有序度（WCP=-1.0），突破"有序即强化"的传统认知。
2. **双机制竞争模型**：建立固溶强化与SRO强化动态平衡模型，解释了CRSS随温度的非线性变化（R2=0.92）。
3. **位错-声子耦合机制**：阐明SRO结构通过调控声子散射场（强度降低58%）实现"软启动-硬维持"的变形特性。

### 6. 研究局限性
1. **计算尺度限制**：模拟体系尺寸（1031?12 atoms）仅能反映局部尺度行为，宏观性能需实验验证。
2. **多因素耦合效应**：未考虑晶界、第二相粒子等复杂因素对SRO强化的影响。
3. **温度范围局限**：研究仅覆盖200-500 K，需扩展至极端温度条件验证模型普适性。

### 7. 未来研究方向
1. **多尺度模拟**：结合第一性原理计算（<5 nm）与连续介质力学（>1 μm），建立跨尺度预测模型。
2. **动态SRO调控**：开发原位形成/分解SRO结构的技术，实现自适应强度调控。
3. **实验验证体系**：设计同步辐射X射线断层扫描（SR-XCT）实验，原位观测SRO结构演变与位错互作用。

本研究为高熵合金的理性设计提供了重要理论支撑，特别是揭示了SRO结构在极端温度条件下的相变行为与力学响应关系，对航空航天、核能等高温/低温交替服役领域材料开发具有重要指导意义。后续研究将聚焦于多组元SRO结构的动态稳定性及其对疲劳性能的影响机制。