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上海交大校友發文，揭示固溶原子有序化對合金力學性能的影響

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2020年10月26日 -
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石墨烯聯盟
文章簡介
在傳統冶金理論中，單相固溶體合金中的固溶原子被認為是隨機分布於基體中的。 固溶原子引起的晶格畸變是引起固溶強化的主要原因。 然而這一理論不能完全解釋一些合金中的反常強化現象。 近年來，多組元合金家族因為其出眾的力學性能而引起了學術界的廣泛關注。 其中尤以單相等原子比CrCoNi中熵合金最為引人矚目，該合金實現了金屬結構材料中從未實現過的超高斷裂韌性。 但基於固溶原子隨機分布假設進行的理論模擬研究卻不支持其單相固溶體的結構，同時揭示了化學短程有序（Chemical
Short-range Ordering）的可能性。 由於化學短程有序的空間尺度通常只有幾個最近原子間距大小，而且具有天然的彌散性，其實驗表征非常困難。 
早在2018年，美國國家電鏡中心（NCEM）主任Andrew M. Minor教授和UC Berkeley在讀博士生張若鵬創新性地開發出了一套利用能量過濾透射電子顯微鏡觀察Ti-Al合金中化學短程有序的方法，揭示了合金中化學短程有序的疇（Clustering）結構，並將合金化學短程有序度對位錯運動及合金宏觀力學性能的影響進行了深入研究。 相關研究成果，張若鵬以第一作者的論文「Direct
imaging of short-range order and its impact on deformation in Ti-6Al」發表於國際一流期刊《Science Advances》。 
今年，該團隊再接再厲，利用能量過濾透射電子顯微技術、納米壓痕、第一性原理計算等方法，揭示了CrCoNi中熵合金中可以歸結為短程有序的結構特徵。 短程有序的存在會引起材料更高的層錯能及納米硬度，同時短程有序結構和位錯的交互作用也會促進位錯平面構型的形成，從而克服塑性變形過程中因為短程有序而產生的彌散反相介面帶來的能壘。 相關變化在高短程有序度樣品中引起了相比隨機合金高達兩倍的初始加工硬化率，可以顯著改變合金的塑性變形行為。 相關結果以「Short-range
order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy」為題發表於國際頂級期刊《Nature》，張若鵬為該文第一作者。 
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2275-z(複製網址到瀏覽器或點擊閱讀原文獲取)
能量濾波後的TEM衍射、暗場圖像以及相關的HRTEM圖像
校友簡介
張若鵬為上海交通大學材料科學與工程學院2014屆本科畢業生，畢業後前往UC Berkeley材料科學與工程系攻讀碩士及博士學位。 主要研究結構材料中化學短程有序的直接觀測、原位TEM微納力學實驗以及針對4D-STEM和高分辨EBSD觀測的數據處理方法。 目前以第一作者及共同第一作者在《Science Advances》、《Advanced
Materials》、《Nature》等國際知名期刊發表了多篇學術論文，累計影響因子超90。 曾在中國聚焦離子束協會年會，Materials Science and Technology 年會，International Workshop on Materials Behavior at the Micro- and Nano-
Scale等國際學術會議中做邀請報告。 2019年11月他還應張小農老師的邀請，與柏林洪堡大學的Thomas Pekin博士一同在交大材料學院為大家介紹了先進透射電子顯微技術在結構材料研究中的最新進展，其中就涵蓋了此次發表在《Nature》上的成果。 
「第一次開始從原子尺度思考材料宏觀性能的根源」
「交大對我的影響絕對是全方位而且受用終身的，但走上科研道路還真是出乎我自己的預料，我覺得交大學子們最重要的一個優勢就是在嚴謹的本科教育之外還能夠獲得很多未來的可能性，不僅僅體現在課程上。 」任職交大學聯學術部，參加「聯合杯」辯論賽，兼職科技媒體記者……和許多交大學子一樣，張若鵬的本科生活前半段也是在馬不停蹄的嘗試中度過的，對於未來，似乎思考的並不多。 但對材料科學的興趣已經在潛移默化中生根發芽了。 「我對王曉東老師的《材料科學基礎》和顧佳俊老師的《固體物理》這兩門專業課印象非常深刻，可以說是我第一次開始從原子尺度思考材料宏觀性能的根源，感覺就像進入了一個全新的世界，有一種醍醐灌頂的感覺，於是就有了想進實驗室的衝動。 」
「印象最深刻的是凌晨去實驗室測量和記錄數據」
得益於交大靈活的大學生科創項目，從本科二年級起，張若鵬便進入實驗室，師從金屬基複合材料國家重點實驗室的張小農老師從事金屬生物材料的表面改性研究及其對成骨細胞分化及蛋白表達的影響。 原本旨在增加自身閱歷的一段實驗室生活竟促使他走上了科研的道路。 兩年間在課題組老師及師兄師姐的鼎力幫助下，研究取得了令人滿意的成果，張若鵬也以本科生的身份在《Materials Science and
Engineering
C》上發表了自己的第一篇科研論文。 「當時印象最深刻的經歷就是在進行細胞實驗的時候經常需要在凌晨去實驗室測量和記錄數據，整個校園都出奇的安靜，反倒很容易克服浮躁的心態。 」自由而充滿挑戰的科研生活讓他決定繼續追隨這條道路。 「後來自己的科研中頻繁用到X射線衍射，電子顯微鏡的表征技術，但是每每使用都是知其然不知其所以然，只能自己抱著文獻啃。 直到大三戎詠華教授的《材料組織結構的表征》課程上，我才對一些先進的表征技術有了定量的認識，也意識到了表征技術在現代材料科學與工程中的重要地位。 」於是在碩士和博士期間他選擇前往美國勞倫斯伯克利國家實驗室的國家電鏡中心（NCEM）深造，該中心為全球首屈一指的專門用來從事材料科學研究的電競中心。 
「來到伯克利之後，要說最直觀的感受，就是交大的本科課程設計非常紮實，許多研究生級別的課程，比如Gerd Ceder教授的《材料熱力學及統計力學》教授的內容和我們的本科課程幾乎完全一致，在材料加工和力學性能這些我自己從事的方向，交大的本科課程深度甚至是有過之而無不及的。 所以雖然我們材院在這邊的校友不多，但都能很好的適應這裡的科研和學習。 」
「我很享受長時間專注在一件事情上的感覺」
身兼東方IC圖庫新聞類簽約攝影師，比例模型製作節目up主，在比較繁重的科研生活之外，張若鵬還堅持著幾項自己的愛好。 「我在中期答辯的時候就和委員會的教授們調侃『我的生活實在是太悲慘了，工作時間給原子拍照，課餘時間給模型拍照。 』不過我很享受長時間專注在一件事情上的感覺，做模型就是我放鬆思維的時候，雖然很花時間，但我想還是會繼續堅持下去。 」
來源：上海交通大學材料學院

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石墨烯聯盟

文章簡介

在傳統冶金理論中，單相固溶體合金中的固溶原子被認為是隨機分布於基體中的。固溶原子引起的晶格畸變是引起固溶強化的主要原因。然而這一理論不能完全解釋一些合金中的反常強化現象。近年來，多組元合金家族因為其出眾的力學性能而引起了學術界的廣泛關注。其中尤以單相等原子比CrCoNi中熵合金最為引人矚目，該合金實現了金屬結構材料中從未實現過的超高斷裂韌性。但基於固溶原子隨機分布假設進行的理論模擬研究卻不支持其單相固溶體的結構，同時揭示了化學短程有序（Chemical

Short-range Ordering）的可能性。由於化學短程有序的空間尺度通常只有幾個最近原子間距大小，而且具有天然的彌散性，其實驗表征非常困難。

早在2018年，美國國家電鏡中心（NCEM）主任Andrew M. Minor教授和UC Berkeley在讀博士生張若鵬創新性地開發出了一套利用能量過濾透射電子顯微鏡觀察Ti-Al合金中化學短程有序的方法，揭示了合金中化學短程有序的疇（Clustering）結構，並將合金化學短程有序度對位錯運動及合金宏觀力學性能的影響進行了深入研究。相關研究成果，張若鵬以第一作者的論文「Direct

imaging of short-range order and its impact on deformation in Ti-6Al」發表於國際一流期刊《Science Advances》。

今年，該團隊再接再厲，利用能量過濾透射電子顯微技術、納米壓痕、第一性原理計算等方法，揭示了CrCoNi中熵合金中可以歸結為短程有序的結構特徵。短程有序的存在會引起材料更高的層錯能及納米硬度，同時短程有序結構和位錯的交互作用也會促進位錯平面構型的形成，從而克服塑性變形過程中因為短程有序而產生的彌散反相介面帶來的能壘。相關變化在高短程有序度樣品中引起了相比隨機合金高達兩倍的初始加工硬化率，可以顯著改變合金的塑性變形行為。相關結果以「Short-range

order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy」為題發表於國際頂級期刊《Nature》，張若鵬為該文第一作者。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2275-z(複製網址到瀏覽器或點擊閱讀原文獲取)

能量濾波後的TEM衍射、暗場圖像以及相關的HRTEM圖像

校友簡介

張若鵬為上海交通大學材料科學與工程學院2014屆本科畢業生，畢業後前往UC Berkeley材料科學與工程系攻讀碩士及博士學位。主要研究結構材料中化學短程有序的直接觀測、原位TEM微納力學實驗以及針對4D-STEM和高分辨EBSD觀測的數據處理方法。目前以第一作者及共同第一作者在《Science Advances》、《Advanced

Materials》、《Nature》等國際知名期刊發表了多篇學術論文，累計影響因子超90。曾在中國聚焦離子束協會年會，Materials Science and Technology 年會，International Workshop on Materials Behavior at the Micro- and Nano-

Scale等國際學術會議中做邀請報告。2019年11月他還應張小農老師的邀請，與柏林洪堡大學的Thomas Pekin博士一同在交大材料學院為大家介紹了先進透射電子顯微技術在結構材料研究中的最新進展，其中就涵蓋了此次發表在《Nature》上的成果。

「第一次開始從原子尺度思考材料宏觀性能的根源」

「交大對我的影響絕對是全方位而且受用終身的，但走上科研道路還真是出乎我自己的預料，我覺得交大學子們最重要的一個優勢就是在嚴謹的本科教育之外還能夠獲得很多未來的可能性，不僅僅體現在課程上。」任職交大學聯學術部，參加「聯合杯」辯論賽，兼職科技媒體記者……和許多交大學子一樣，張若鵬的本科生活前半段也是在馬不停蹄的嘗試中度過的，對於未來，似乎思考的並不多。但對材料科學的興趣已經在潛移默化中生根發芽了。「我對王曉東老師的《材料科學基礎》和顧佳俊老師的《固體物理》這兩門專業課印象非常深刻，可以說是我第一次開始從原子尺度思考材料宏觀性能的根源，感覺就像進入了一個全新的世界，有一種醍醐灌頂的感覺，於是就有了想進實驗室的衝動。」

「印象最深刻的是凌晨去實驗室測量和記錄數據」

得益於交大靈活的大學生科創項目，從本科二年級起，張若鵬便進入實驗室，師從金屬基複合材料國家重點實驗室的張小農老師從事金屬生物材料的表面改性研究及其對成骨細胞分化及蛋白表達的影響。原本旨在增加自身閱歷的一段實驗室生活竟促使他走上了科研的道路。兩年間在課題組老師及師兄師姐的鼎力幫助下，研究取得了令人滿意的成果，張若鵬也以本科生的身份在《Materials Science and

Engineering

C》上發表了自己的第一篇科研論文。「當時印象最深刻的經歷就是在進行細胞實驗的時候經常需要在凌晨去實驗室測量和記錄數據，整個校園都出奇的安靜，反倒很容易克服浮躁的心態。」自由而充滿挑戰的科研生活讓他決定繼續追隨這條道路。「後來自己的科研中頻繁用到X射線衍射，電子顯微鏡的表征技術，但是每每使用都是知其然不知其所以然，只能自己抱著文獻啃。直到大三戎詠華教授的《材料組織結構的表征》課程上，我才對一些先進的表征技術有了定量的認識，也意識到了表征技術在現代材料科學與工程中的重要地位。」於是在碩士和博士期間他選擇前往美國勞倫斯伯克利國家實驗室的國家電鏡中心（NCEM）深造，該中心為全球首屈一指的專門用來從事材料科學研究的電競中心。

「來到伯克利之後，要說最直觀的感受，就是交大的本科課程設計非常紮實，許多研究生級別的課程，比如Gerd Ceder教授的《材料熱力學及統計力學》教授的內容和我們的本科課程幾乎完全一致，在材料加工和力學性能這些我自己從事的方向，交大的本科課程深度甚至是有過之而無不及的。所以雖然我們材院在這邊的校友不多，但都能很好的適應這裡的科研和學習。」

「我很享受長時間專注在一件事情上的感覺」

身兼東方IC圖庫新聞類簽約攝影師，比例模型製作節目up主，在比較繁重的科研生活之外，張若鵬還堅持著幾項自己的愛好。「我在中期答辯的時候就和委員會的教授們調侃『我的生活實在是太悲慘了，工作時間給原子拍照，課餘時間給模型拍照。』不過我很享受長時間專注在一件事情上的感覺，做模型就是我放鬆思維的時候，雖然很花時間，但我想還是會繼續堅持下去。」

來源：上海交通大學材料學院