文章导读

体心立方（BCC）难熔金属因极高的强度和熔点在航空航天及核能领域备受关注。多主元合金（multi-principal element alloys, MPEAs）通过元素协同效应为改善BCC金属的低温脆性难题提供了新途径，但裂尖复杂的微观机制竞争亟需阐明。本研究采用高精度机器学习势原子模拟，揭示了NbMoTaW MPEA内在的化学异质性引发显著的裂尖原子“应力离域化”效应，有效屏蔽脆性解理所需的应力集中。特别是含Ta的局部异质环境作为前驱体诱导位错形核，促成了材料的脆-韧转变。这一机制为利用化学异质性工程设计高韧性难熔合金提供了重要理论依据。

关键词：裂纹扩展，多主元合金，化学异质性，原子应力波动，原子模拟

Citations: Xiaotong Li, Bin Xu, Jian Li, Yunjiang Wang, Pengfei Guan. Atomic-scale stress delocalization enabled by local chemical heterogeneity modulates brittle-to-ductile transition in BCC multi-principal element alloys[J]. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/aea58a

本文要点

【要点1 】化学异质性诱导的裂纹尖端应力离域化

基于第一性原理精度的机器学习势函数，本研究对比了NbMoTaW MPEA与纯Mo中I型裂纹在准静态加载下的响应，发现纯Mo表现出典型的脆性解理，而NbMoTaW则呈现出由裂纹尖端位错发射主导的韧性断裂模式。通过解析原子应力分量揭示了其微观机制：纯Mo裂纹尖端仅少量原子承受超过理论解理强度的尖锐应力集中（图1a，c），导致脆性破坏；相反，NbMoTaW中近两倍的原子在理论解理强度附近波动，形成高度粗糙且分散的应力图景(图1b，d)，产生原子级“应力离域化”效应。同时，其剪切应力在前沿有限范围内形成连续的多峰形态，使最大剪切应力显著接近理想强度。这种离域化的应力图景特征有效屏蔽了解理驱动力并降低协同塑性变形的能垒，从而促进位错活动，是MPEA实现韧性断裂的物理根源。

图1. 裂尖原子应力场与断裂模式：（a） 纯Mo与（b） NbMoTaW 多主元合金裂纹尖端区域原子级法向应力 (σ_yy) 的三维分布图；（c） 纯Mo中裂尖应力集中导致脆性解理断裂示意图；（d） NbMoTaW 裂尖应力离域化导致韧性断裂示意图。

【要点2】局域化学异质性工程实现增韧调控

NbMoTaW MPEA中的裂纹扩展具有显著的元素敏感性，特别是Ta元素参与的局域环境成为触发位错活动、协调剪切变形和耗散能量的核心区域（图2a， b）。通过在脆性Mo基体中嵌入Ta富集纳米团簇的模拟研究，进一步证实了局域化学异质性能够有效阻断解理路径，并作为位错形核源诱导断裂模式的脆-韧转变（图2c）。重要的是，我们发现仅引入异质性元素并不足以触发韧性断裂，Ta相关的异质区域必须达到特定的空间连通性阈值（图2d），才能产生充分的应力离域化效应，从而激活位错发射。这一发现深化了对MPEA增韧机理的理解：即使在单相固溶体内，通过策略性地调控局域化学异质性及其空间拓扑结构，是实现材料强韧化设计的有效途径，而非仅仅依赖全局成分设计。

图2.  裂尖化学异质性设计：（a） NbMoTaW 合金裂尖原子的化学环境；（b） 裂尖原子加载过程中的能量耗散；（c） 引入富Ta纳米团簇后Mo基体表现为位错介导的韧性断裂；（d）引入具有空间连通性的Ta原子后Mo基体表现为韧性断裂。

总结与未来展望

本研究采用高精度原子模拟，揭示了NbMoTaW多主元合金相较于纯Mo其内在的化学异质性引发了显著的原子级裂纹尖端“应力离域化”，产生化学驱动的应力集中屏蔽效应。特别是含Ta的局域化学异质性作为关键前驱体，诱导了局部的剪切与能量耗散。这为高性能合金设计提供了新思路：通过定向微合金化或非平衡热机械处理等手段，有意地调控多主元合金中软区的尺寸、分布及其连通性，可在脆性基体中引入增韧机制。这种基于应力离域化的化学异质性工程可有效屏蔽裂尖应力集中并抑制灾难性解理断裂。未来结合机器学习，有望加速优化复杂合金的成分与局域化学结构设计，以实现合金强韧效果最大化。

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