研究背景
人类一直在探索提升金属和合金强度与延展性的策略，以实现节能、提高安全性和实现新的工程极限。然而，传统的强化机制往往以牺牲延展性为代价，因为它们通常会降低可移动位错密度或滑动位错的平均自由程长度。尽管梯度结构、纳米孪晶和机械亚稳相等方法通过调节位错-障碍物相互作用取得了一定进展，但近一个世纪以来，位错-位错相互作用这一决定延展性的最基本机制，却在同时提高强度和延展性方面被长期忽视。
这种情况主要是由于在几乎所有积累位错的加工过程中，如轧制、拉拔和扭转，都形成了平衡态低能位错结构（LEDS）。在不改变合金成分的情况下，调控这些位错结构的方法极为有限。由于泰勒硬化机制，LEDS虽然能够带来优异的屈服强度，但由于位错自发演变为LEDS，其迁移率和增殖能力被过度消耗，因此延展性总是会破坏性地恶化。因此，现有的教科书位错强化机制本质上无法突破强度与延展性之间的权衡困境。
研究成果
近日，西北工业大学何峰教授&王锦程教授&林鑫教授合作报道了，受自然界中非平衡复杂系统自组织临界态的启发，探索了具有偏析位错自组织结构（SD-SOS）的增材制造中熵合金的力学响应。研究结果表明，当初始位错为SD-SOS形式时，传统理论中“位错硬化必然以牺牲延展性为代价”的观点被推翻。发现SD-SOS除了通过发射位错和层错提供位错源外，还与滑动位错动态相互作用，形成可持续的Lomer-Cottrell锁和啮合，用于位错储存。有效的位错增殖和存储能力促使平面移滑带不断细化，从而使增材制造生产的加工硬化合金具有高延展性。这些发现为通过调整位错配置来优化合金的力学性能开辟了新的途径，具有重要的科学意义和应用价值。
相关研究工作以“Segregation-dislocation self-organized structures ductilize a work-hardened medium entropy alloy”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。
研究内容
研究者从自然界中的非平衡复杂系统中汲取灵感。这些系统，如地震、森林大火和生物进化，能够自组织成有序状态，并产生独特的性能。研究者发现，通过极端非平衡的增材制造（AM）工艺生产的合金中一种特殊的微观结构特征，即偏析位错自组织结构（SD-SOS），能够显著增加位错密度。这种结构不仅能够显著提升中熵合金（MEA）的强度，还能保持其优异的延展性。
图1. 通过激光粉末床熔化（LPBF）制备的Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金的微观结构
图2. Ni35Co35Cr25Ti3Al2中熵合金的力学性能
图3. Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金在应变过程中的变形组织及其演变
图4. LPBF Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金中偏析位错自组织结构（SD-SOS）的位错增殖和存储机制
结论与展望
总之，这项研究突破了传统认知，证明在LPBF过程中由时空位错偏析相互作用引起的SD-SOS在Ni35Co35Cr25Ti3Al2 MEA中成功地实现了高位错密度延性协同作用。发现SD-SOS边界既是位错源，也是位错运动的障碍，而SD-SOS内部为位错滑移和反应提供了充足的空间。SD-SOS引起的位错活动促进了位错的快速增殖和广泛的位错储存，从而持续细化变形子结构，并为具有初始高密度位错高达8.29×1014m-2的合金提供了足够的应变硬化能力。更重要的是，通过调整AM工艺条件、溶质偏析和SFE，SD-SOS可以灵活调整以适应不同的性能需求。这项研究的发现为金属增材制造中的位错塑性提供了见解，并指出了位错工程的通用策略。
