西安交大科研人员与清华大学合作实现固溶体合金中间隙溶质原子占位的直接观察

在体心立方（BCC）金属中引入间隙元素（例如铁中固溶氧、碳、氮），是大幅提升强度的有效方法。近期，西安交大刘畅研究员等通过将大量间隙氧原子（12 at%）固溶进TiZrNb系中熵合金，将其屈服强度提升至接近理论强度的4.2 GPa（C. Liu et al.Nat. Commun.13, 1102 (2022)）。固溶强化效果与间隙原子在晶格中的位置有关。教科书中认为，对于BCC间隙固溶体（比如碳溶于铁而形成的钢），间隙原子位于BCC晶格的八面体间隙位置而不是空间更大的四面体间隙位置（其半径约为前者的两倍），引起不对称的晶格畸变，有效阻碍位错的运动从而提升材料强度。然而，在透射电镜下很难直接观察到金属晶格中原子序数很低的间隙原子，且易受样品表层杂质（如氧化层）的干扰。对间隙原子及其所占位置直接而可靠的观察，将有助于揭示间隙固溶BCC合金的结构特性，促进新一代高强度金属材料的研究与开发。

西安交通大学材料创新设计中心（CAID）刘畅研究员和马恩教授在上述高浓度间隙固溶中熵合金（(TiZrNb)86O12C1N1(at%) (O-12)）基础上，与清华大学于荣教授团队合作，应用清华自主研发的自适应传播因子叠层成像技术（H. Sha et al.Sci. Adv.8, eabn2275 (2022)），直接观察到了间隙固溶中熵合金中的氧原子及其选择性间隙占位。研究发现，氧原子在晶格中的占位与其含量直接相关，高浓度时，氧原子主要位于BCC晶格的四面体间隙位置，而非传统认为的八面体位置。原因在于，当大量间隙原子溶入后，多数金属（溶剂）原子都会受到溶质原子影响而产生位移，偏离点阵位置，因此，容纳间隙原子时导致的晶格畸变与所需的应变能，四面体间隙已不再明显高于八面体位置。在此情况下，间隙原子转而倾向于选择空间更大的四面体间隙位置。

图1 O-12合金的电子叠层成像相位图直接观测到高浓度时氧间隙原子倾向于占据四面体间隙位置a) 具备深亚埃分辨、深度分辨、取向校正的自适应传播因子叠层成像技术（adaptive-propagator ptychography，APP）示意图。该技术在扫描透射电镜中逐点采集衍射图，通过数值重构获得样品的结构信息。b)BCC晶体模型，显示八面体与四面体间隙位置。c-d)在[011]带轴观察O-12合金的图像。该区域内氧间隙原子位于四面体间隙而非八面体间隙位置。

该工作以《直接观察BCC固溶体合金中的间隙原子占位》（Direct Observation of Oxygen Atoms Taking Tetrahedral Interstitial Sites in Medium-Entropy Body-Centered-Cubic Solutions）为题发表于国际著名期刊《先进材料》（Advanced Materials）。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文第一作者单位和第一通讯单位。刘畅研究员（西安交大）、崔吉哲博士生（清华）、程志英高级工程师（清华）为论文共同第一作者。马恩教授（西安交大）和于荣教授（清华）为论文共同通讯作者。其他作者还包括张博召博士生（西安交大）、张思源博士（德国马普所）、丁俊教授（西安交大）。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202209941