【科技自立自强】西安交大科研人员

提出并论述利用高熵合金中的化学不均匀性同时实现高强度高塑性

材料强化方法——固溶强化、细晶强化、第二相析出强化等可以将材料的屈服强度提高至GPa水平。然而，强化后的金属加工硬化率（应力—应变曲线的斜率）通常不升反降，使得拉伸时易发生严重的变形局域化，塑性大幅降低。只有当加工硬化率与流变应力保持相当时（如同时维持在GPa），金属才能在拉伸过程中稳定地均匀变形，然而这极难在高强度金属大应变时实现。

多主元合金为解决上述“强度—塑性相互掣肘”难题提供了新的机遇。多主元合金是以高构型熵为设计理念的一类金属，通常由3种以上的元素以接近等原子比混合组成，又称为高熵合金（High-entropy alloys, HEAs）。HEA的高浓度组分带来了从亚纳米到约十纳米尺度上的化学不均匀性，包括化学成分起伏、局域化学序以及丰富的“界面”。位错需要穿过不同组分、不同化学有序度的纳米级局部区域，能量不断起伏。因此，位错线受到额外阻力，导致其波浪状地向前运动。此种类型的位错运动需要更高的驱动应力，使得合金的强度得以明显提升。与此同时，在缺陷的动态演化方面，上述减缓的位错运动会促进位错的相遇、缠结、反应和增殖。大量局部区域的低层错能也使得在拉伸变形过程中很容易产生层错、孪晶以及相变层。这些在变形中不断积累的缺陷和细化了的微观组织，使材料在高流变应力下仍保持足够高的加工硬化率，从而提高均匀拉伸塑性乃至总延伸率（图1）。

图1 金属合金的拉伸屈服强度versus延伸率。 （拉伸塑性）浅蓝色区代表传统金属；粉红色区域代表纳米异构金属；黄色区中的高熵合金（不同颜色代表不同晶体结构的HEAs）有效地助力了高强度高塑性的同时实现：许多“又强又塑”的新金属材料表现出向着图中右上角方向铺展的明显趋势。而右上角方向代表着人们长期以来追求的目标：“既有高强度合金具有的GPa级屈服强度、又有与单质金属媲美的大（~50%量级）延伸率”

以上见解可以解释图1中总结的最新数据：许多高熵合金同时实现了高强度与高塑性，并正向着“既有高强度合金的GPa级屈服强度、又有可与单质金属媲美的大延伸率”（即图中右上角）的方向扩展。这一思路于2月14号以《利用高熵合金中的化学不均匀性同时实现高强度高塑性》“Chemical inhomogeneities in high-entropy alloys help mitigate the strength-ductility trade-off”为题发表在国际顶级综述期刊《材料科学进展》（Progress in Materials Science) (IF=37.4）。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心(CAID)为论文唯一单位。马恩教授为此综述第一作者，马恩教授与刘畅教授为共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101252