如何评价高熵合金？应用前景如何？有没有前途？还是仅仅玩的概念？ 第1页

和目前大部分合金材料不同的是，高熵合金是一种含有等摩尔量或近似等摩尔量的元素组成的合金材料。大部分现有合金都是基于一种主材料，掺杂少量其他材料构成的，比如钢是铁中含有0.2%-2.1%的碳构成的。

在高熵合金首次被合成出之前，Greer 曾经提出一个理论，主要内容是，当合金包含越来越多的近似摩尔组分的元素时，它将会越来越易于形成玻璃相。所以当Cantor和Yeh首次提出合成出单相的五组分合金时，才会引起这么多的关注，因为它颠覆了传统合金理念。

这个图反映了高熵合金随机固溶体晶体结构，不同的原子随机分布在每个点阵上，整体形成了有规律的点阵结构。

有意思的一件事是当时Yeh将第一篇关于高熵合金的文章投给Science时被拒，最后只能投给advanced engineering materials. 现在这篇文章的引用率已经非常高。

目前为什么等摩尔量的组分不会形成玻璃相或者金属间相并不是十分清楚。总体思路是因为高熵合金中结构熵较高导致吉布斯自由能降低导致形成单一的固熔相。目前北科大的张勇教授对这方面提出过理论来预测高熵合金的相图，和实验符合的较好。但日本的陈明伟教授也在高熵合金中发现纳米级的金属间相，并且声称纳米级金属间相可以缓解点阵应力。同时第一性原理的计算也支持这一观点。所以高熵合金究竟是完全单相的还是混合相仍然在争论之中。

高熵合金的形变机制十分复杂，目前并没有统一的结论。但人们主要将其良好的机械性能归因于点阵畸变。也就是说高熵合金的点阵并不是完美的固溶体点阵，比面心立方，体心立方。而是一种变形的面心和体心立方，如下图所示。

点阵畸变会导致位错在高熵合金中极难移动。因为高熵合金的点阵是畸变的，导致在每处的晶格常数都不同，从而导致位错的泊氏矢量在各处都不同，而晶格摩擦力，也就是派纳力是位错宽度和泊氏矢量的函数，所以位错的各个部分移动所感受到的阻力处处都不同，从而使位错各个位置的移动速度不同。而大量的晶格畸变又提供了很多的位错钉扎位置，导致其移动十分困难。

同时孪晶也是高熵合金的形变机制，高熵合金的层错能很低，只有20-25mJ/m2，所以更容易形成孪晶。如下图所示，当高熵合金在断裂时，不仅会形成纤维状的bridging强化机制，而且在每一个纤维中都有孪晶的形成。这种断裂机制是所有合金中前所未有的，也是其高强度的原因。

目前最瞩目的进展主要来自于伯克利大学的robert ritchie和橡树岭国家实验室的George的合作。他们在去年在科学上报道在液氮温度下CoCrFeMnNi高熵合金的fracture toughness 超过目前最tough的金属，达到200MPa m1/2. 引起广泛关注。随后他们又在nature communication上报道了中熵合金CrFeNi也有同样的高断裂强度。

可以看到高熵合金在Ashby map的右上角。性能及其优秀。

最新一期的Nature上刊登了马普所关于高熵合金的研究，Fe50Mn30Co10Cr10在冷轧退火之后，强度和延性同时大幅度的提高，达到了800MPa和近0.8，远远超过了钛合金和其他合金体系。这种同时在强度和延性上的提高主要归功于该合金系统的两相混合的微观结构。它包含FCC和HCP两种晶体结构，其中马氏体相变（FCC->HCP），孪晶形成提高了加工硬化的能力（提高延性），固溶体强化提高了强度。

田纳西大学的peter liaw 首次提出难熔高熵合金，其性能在高温下十分稳定。瑞士的Zou进一步在此基础上设计出了强织构的高熵合金，其屈服强度达到了10GPa。

在高熵合金的研究中独树一帜的是UIuC的Dahmen教授，她通过建立平均场理论模型来解释高熵合金特殊的力学性能，如在特定的温度和应力范围内呈现出serration的行为。这种serration会严重影响高熵合金的应用，因为如果在应用中出现了这种突然的serration会导致应力突然下降，而不光滑的应力应变曲线会导致很难预测材料的安全系数。

目前高熵合金的进展十分迅速，世界很多研究组也都在研究高熵合金的各种性能。目前高熵合金的研究已经呈现出爆发性的增长。web of knowledge的引文报告关于高熵合金的报道已经出现了指数型的增长。

高熵合金最大的理论意义在于它颠覆了传统合金设计理念，通过近些年对超高性能高熵合金的报道，人们逐渐意识到突破传统的合金设计理念可以得到意想不到的性质。