近日，我院陈帅副教授与新加坡科技研究院张永伟教授以及香港大学David J. Srolovitz教授（美国工程院院士）等合作，在国际权威期刊《Science Advances》（影响因子13.6，中科院综合性期刊1区TOP）上发表了题为“Ideal plasticity and shape memory of nanolamellar high-entropy alloys”（纳米层状高熵合金的理想塑性和形状记忆）的研究论文。陈帅为第一作者，我院为第一单位。
在先进的航空发动机中，高温合金用量占比高达50%以上，是制造发动机热端部件的关键材料，高熵合金易表现出高强度、高塑性和耐高温等传统合金鲜有同时具备的优异性能，在航空发动机高温结构材料领域具有潜在应用前景。在本工作中，作者从第一性原理计算构建AlCoCuFeNi合金的组成成分、微观结构和构型能量数据库，并结合分子动力学模拟验证AlCoCuFeNi高熵合金的原子间势函数。为研究各向异性的成分分布影响，构建FCC各向同性和纳米层状AlxCoCuFeNi模型：各向同性模型中的Al原子含量均匀分布（5at%或15at%），纳米层状模型中Al的含量按照5at%和15at%交替分布。然后进行拉伸加载和卸载的大规模分子动力学模拟，探究不同合金组成成分和微观结构合金的变形机理的异同。
该研究发现，纳米层状模型在拉伸加载过程中，表现出各向同性模型不具有的理想塑性行为，在0.045至0.065应变区间表现出平稳的应力-应变曲线。合金微观结构的演变过程表明，应力平稳前的上升阶段，变形机理以15at%Al层中的FCC-BCC相变为主；当应力平稳时，相变扩展并阻止在5at%Al和15at%Al层界面，15at%Al层中位错成核和扩展出现。位错成核总是发生在FCC和BCC结构的界面处，扩展有限距离后，又被阻止在相邻界面处。此相变和位错的形核、扩展和阻止的耦合作用导致了理想塑性行为。如果在理想塑性区域，对合金进行卸载，部分位错将消失，且相变可逆发生，从而表现出形状记忆效应。该研究揭示了合金成分和微观结构调控高熵合金拉伸加载和卸载的变形机制，尤其是非均匀元素分布（化学有序）对力学性能的影响，为理解和设计优异力学和功能特性的高熵合金提供理论指导。
陈帅副教授2016年博士毕业于清华大学摩擦学国家重点实验室，之后在新加坡科技研究院（A*STAR）工作六年，2023年加入上海大学材料基因组工程研究院。主要研究方向为先进多主元（中熵/高熵）合金的力学性能及其强韧化机理。此工作是陈帅在新加坡工作期间，关于高熵合金化学有序形成（Acta Mater. 2021, 206, 116638）及其对力学/热力学性能调控机理（Nat. Commun. 2021, 12, 4953；Acta Mater. 2022, 238, 118201；Mater. Today 2023, 65, 14）研究的延续，陈帅将继续利用多尺度模拟和高通量计算方法，结合材料基因组、机器学习和高通量实验，开展先进多主元合金力学性能及其强韧化的基础理论和应用研究。
文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adi5817