高熵合金（HEAs）因其優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕性和耐磨性，在工程應用中展現出廣闊前景，尤其在耐熱和抗損傷材料領域備受關注。然而，作為新興的耐磨材料，其原子尺度的摩擦與磨損機制仍不明確，這限制了從多尺度角度建立完整的微觀結構演化框架。

盡管已有研究揭示了HEAs在單軸加載下的獨特變形機制（如FCC-HCP雙向相變和孿晶誘導的晶粒重取向），但這些機制在摩擦剪切變形條件下是否依然適用尚不清楚。此外摩擦磨損涉及復雜的多物理場耦合過程（如機械、熱和氧化作用），從宏觀到原子尺度的跨尺度特性使得直接觀察微觀結構演化具有挑戰(zhàn)性，需要通過先進實驗手段揭示其內在機理。

針對上述高熵合金（HEAs）摩擦與磨損機制的研究問題，中南大學、中國科學院金屬研究所等組成的研究團隊利用澤攸科技原位TEM進行了深入研究，他們通過原位透射電鏡摩擦實驗結合分子動力學（MD）模擬，揭示了Al0.1CoCrFeNi高熵合金在摩擦剪切變形下的原子尺度動態(tài)行為，該研究填補了HEAs原子摩擦機制的空白，為理解耐磨材料的微觀損傷機制提供了實驗與理論依據。相關成果以“Phase transformation induced by severe gradient shear deformation in an Al0.1CoCrFeNi alloy”為題發(fā)表在《Materials Characterization》上。

研究首先通過激光粉末床熔融（LPBF）技術制備了Al0.1CoCrFeNi合金樣品，并利用原位TEM摩擦實驗觀測了鎢針尖劃擦過程中的動態(tài)響應。實驗發(fā)現，摩擦表面形成了約5 nm厚的非晶層，這是由高剪切應變（表面達1.6，內部降至0.3）導致的晶體-非晶轉變。更重要的是，在次表面約10 nm深度處，觀察到從[011]FCC到[001]FCC的晶格重取向相變，這一現象與堆垛層錯（SFs）交叉區(qū)域的應變集中和弛豫直接相關。

圖 高熵合金在摩擦處理前后的微觀結構表征

通過高分辨TEM分析，團隊進一步揭示了相變過程中的中間過渡相結構。這些中間相源于{111}晶面內原子滑移引起的晶格畸變——沿[2ī1]方向收縮而沿[211]方向膨脹，導致晶面夾角（如α1和α3）發(fā)生不對稱變化。分子動力學模擬驗證了上述實驗結果，表明[001]FCC納米晶優(yōu)先形成于堆垛層錯尖端，其穩(wěn)定性取決于局部應變弛豫程度。此外，模擬還發(fā)現大量低角度晶界和堆垛層錯四面體（SFTs），這些缺陷通過阻礙位錯運動提升了合金的后續(xù)變形抗力。

圖 原位摩擦后表面下方不同位置的結構演變

研究最后提出了摩擦誘導相變的機制框架：在梯度剪切應變作用下，{111}晶面的原子滑移首先形成堆垛層錯；當應變在SFs交叉區(qū)達到臨界值時，通過晶格旋轉和重構實現[011]→[001]相變。這一過程伴隨著顯著的晶格參數變化（如c軸膨脹、a/b軸壓縮），與傳統(tǒng)的孿生誘導重取向機制截然不同。

圖 分子動力學模擬的時序演變快照

該工作不僅報道了HEAs在摩擦載荷下的相變行為，還為設計高性能耐磨合金提供了新思路——通過調控堆垛層錯密度和應變梯度，可能實現摩擦過程中自發(fā)的晶粒細化和強化。未來研究可進一步探索不同成分HEAs的摩擦相變規(guī)律，以及非晶/晶界協同效應對磨損性能的影響。