近日，太阳成集团tyc33455材料科学与工程学院在多组元合金设计领域取得重要进展，其研究成果以“Chemical bonding dictates alloying effect on inherent mechanical strength and plastic deformation mechanism in CoNiCr multicomponent alloy（化学键对CoNiCr多组元合金本征强度和塑性变形机制的影响）”为题，发表在计算材料学领域国际顶尖期刊NPJ Computational Materials。该论文第一作者为太阳成集团tyc33455材料科学与工程学院博士研究生郭艳欣，通讯作者为闫海乐副教授与贾楠教授，太阳成集团tyc33455为第一完成单位。
多组元合金凭借其独特的力学性能与功能行为受到广泛关注。其中，以面心立方结构为主的合金在低温条件下表现出优异的力学性能，成为当前的研究热点。为了进一步提升这类材料的综合力学性能，合金化已被广泛视为一种有效且普遍采用的策略。尽管实验研究已取得显著进展，但不同合金元素在微观层面的具体作用机制仍不清晰，且对各元素如何影响合金力学性能与变形行为背后的物理机制尚缺乏系统深入的理解。本研究以CoNiCr多组元合金为模型材料，通过第一性原理计算与化学键分析相结合的方法，揭示了3d过渡金属及Al元素对多组元合金本征力学性能和塑性变形机制的影响规律，建立了基于化学成键调控的高性能面心立方多主元合金设计的理论框架。研究发现，所有掺杂元素均会不同程度地降低CoNiCr的本征力学性能。其中，早期3d元素（Ti和V）、晚期3d元素（Cu）及p区主族元素（Al）的弱化作用尤为显著，而位于中间的3d元素（Mn和Fe）影响相对较小。基于量子力学化学键分析的结果表明合金化效果的差异源于合金元素与基体之间的电子轨道填充和轨道杂化效应。价电子数与CoNiCr价电子浓度（VEC）相差较大的合金元素通过削弱成键态（Ti，V）、减少d-d杂化和过量填充反键态（Cu）或将轨道杂化从d-d改变为p-d（Al）的方式来显著降低合金本征强度，而价电子数与基体VEC相当的Mn和Fe则保持与合金接近的本征强度。此外，通过比较不同元素对CoNiCr广义层错能的影响，明确了调控合金变形模式的关键参数。发现所有合金元素均会提高CoNiCr的本征层错能γisf。多数合金呈现出位错滑移与层错共存的变形特征，而Cu掺杂则更倾向于促进位错滑移与孪晶共同主导的变形模式。研究进一步指出，层错与孪晶之间的竞争受1/2γisf的影响。γisf较低时，合金倾向于发生层错；而γisf较高时，合金倾向发生孪晶。VEC是影响γisf的关键参数，VEC高的合金通常表现出较大的γisf。本研究从化学键与电子结构层面，揭示了化学成分影响面心立方多组元合金本征性能的微观物理机制，为破解高熵合金“成分-结构-性能”关系难题提供了关键理论支撑，有望推动新一代结构材料在航空航天、低温工程等极端环境领域的应用突破。
合金元素对CoNiCr本征力学性能和变形行为的影响
NPJ Computational Materials是Springer Nature出版集团旗下计算材料科学领域国际顶尖期刊，涵盖理论模拟、材料设计与多尺度研究等重要方向。期刊连续多年入选“中国最具国际影响力学术期刊”，最新影响因子达11.9（2025年），五年影响因子为13.0，持续位列中科院一区。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41524-025-01907-9
