物理學家首次發現超低溫下高熵合金的多階段變形

由香港城市大學（香港城大）科學家領導的一個國際研究團隊，最近首次發現於超低溫下，高熵合金（high-entropy alloys）的變形機制分為多個階段，因而展現出非凡的力學性能。他們的發現或為研發應用於低溫的新結構材料帶來啟示。

領導這項研究的，是剛獲選為美國中子散射學會會士（Fellow of the Neutron Scattering Society of America）的香港城大物理學系系主任兼講座教授王循理教授。他與日本以及中國內地的科學家攜手，對高熵合金在超低溫下的變形行為進行原位研究。相關研究結果發表在最新一期的科學期刊《科學進展》 （Science Advances）上，題為〈Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures〉。

中子散射技術：強大的測量工具

高熵合金是新型結構材料，具有多種卓越力學性能，例如擁有出色的強度兼延展性、高斷裂韌性和耐腐蝕性。它由多種主要元素組成，所以衍生出複雜的變形行為。

一般而言，材料在低溫下會因為原子被「凍住」了而失去流動的能力，所以變得易碎。但是，高熵合金反而在低溫下具有很高的延展性，可以被拉伸到較大的變形。 「這個現像在2014年首次被發現，但其背後的機制仍屬未知，很引人興趣。」 從那時起開始研究該變形機制的王教授說。王教授是這篇論文的通訊作者。

為了解開這個謎團，由王教授領導的研究團隊利用原位中子衍射技術，以研究高熵合金的變形過程。身兼香港城大中子科學技術中心主任的王教授解釋說：「中子衍射測量是觀察材料實際變形過程的僅有幾種方法之一。我們可以觀察到每個步驟：首先出現的是哪種機制，和機制之間如何互動，這些是用傳統實驗方法如透射電子顯微鏡所不能觀察到的。」

王教授續說：「更重要的是，原位中子衍射技術可以在接近絕對零度的超低溫下進行測量，而且測量到的是樣本的整體情況，而並非只是它的表面或局部區域，並提供了變形過程的微觀機制，例如材料的不同晶粒之間的相互作用。」

首次揭示各種變形機制出現的次序

透過使用原位中子衍射技術，研究團隊首次揭示了高熵合金在超低溫時出現各種變形機制的次序。他們發現溫度降至15 K（K是絕對溫度單位，15 K等同攝氏零下258.15度）時，高熵合金的變形分為四個階段。

變形過程的第一個階段是「位錯滑移」（dislocation slip），即晶格面互相滑動，這是面心立方 (face-centered cubic) 晶體結構材料一種常見的變形機制。當位錯滑移持續，「堆垛層錯」 （stacking faults）逐漸變得活躍並開始主導變形的過程，此時晶格平面的堆疊次序會因為變形而改變。接下來會出現「孿晶」（twinning），晶格平面的位向出現錯誤，導致出現母晶體的鏡像。最後會過渡至「鋸齒流變行為」， 高熵合金會呈現出大振幅的變形應力。

即將畢業的香港城大物理學系博士生兼高級研究助理Muhammad Naeem先生說：「觀察這些機制如何在材料變形時發揮作用並相互配合，是很有趣的。」他是該論文的第一作者。

研究人員在實驗中發現，隨著溫度降低，高熵合金顯示出更高且更穩定的應變硬化（應變硬化意指材料在變形後變得更強及更硬），並且呈現出很大的延展性。研究人員對原位實驗數據進行定量分析後得出結論：堆垛層錯、孿晶和鋸齒流變行為這三種觀察所得的變形機制，以及這些機制之間的相互作用，正是高熵合金具備卓越力學性能的原因。

未知的新領域：超低溫下的變形

研究團隊用上將近三年完成整個研究，然而這個領域還有很多值得進一步探索之處。 王教授說：「高熵合金在超低溫時呈現的複雜變形機制，是一個全新領域，曾涉足探索的人並不多，而我們這項研究的結果僅僅顯示了新領域的冰山一角。」

研究團隊下一步將會研究其他合金何時會出現堆垛層錯，以及它們在不同溫度時的變形機制。Naeem先生說：「理解變形機制有助研發新合金。透過運用不同機制的協同效應，我們可以加以調控這些機制，使材料在低溫環境應用時具備更佳的力學性能。」

研究團隊中來自香港城大的成員包括大學傑出教授劉錦川教授、材料科學及工程學系副教授王鋒博士，以及來自物理學系的王冰博士、蘭司博士、吳楨舵博士和何海燕。 其他共同作者包括北京科技大學的呂昭平教授與吳淵教授、日本質子加速器研究中心（The Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC）的 Stefanus Harjo博士與川崎卓郎博士、以及哈爾濱工程大學的張中武教授。

這項研究獲得裘槎基金會、香港研究資助局、國家自然科學基金會、深圳市科技創新委員會以及中國科學技術部的資助。

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