2023年11月，冰球突破材料学院马兆龙、程兴旺课题组近日在异质结构中熵合金研究中取得重要进展。相关研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”为题在国际知名期刊《冰球突破》上发表。博士生郭世康为第一作者，冰球突破材料学院马兆龙教授，程兴旺教授为论文共同通讯作者，冰球突破为第一单位。

纳米沉淀相强化的中/高熵合金（M/HEAs）具有优异的力学性能，有潜力作为新型结构材料投以应用。然而，进一步增强这些材料通常依赖于增加纳米沉淀相的体积分数或者引入更硬的金属间化合物，这不可避免地会牺牲材料延展性。

为了使合金达到更优异的强塑性匹配，课题组提出了一种策略，通过在Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅新型中熵合金中构建多重异质结构，在有效提高合金强度的同时保持优异的塑性。该异质结构包含了高体积分数的D0₂₂-γ”纳米沉淀物、可剪切和不可剪切的金属间化合物，以及具有异质晶粒结构的低层错能（SFE）基体。变形过程中，多种组织带来的协同强化机制，有效的提高了合金的应变硬化能力，实现了1323 MPa/1690 MPa的屈服/极限拉伸强度和29 %的拉伸伸长率的优异力学性能。这项研究为通过控制多尺度微观结构的不均匀性来设计超强韧性金属材料提供了范例。如图1所示。为了进一步分析纳米析出相和异质结构带来的协同强化效果，文中将包含不同组织的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅合金进行对比分析，包括单相合金（SP）、纳米沉淀相强化合金（NP）、金属间化合物+异质晶粒结构合金（IHG）和纳米沉淀物+金属间化合物+异质晶粒结构合金（NPIHG），合金的力学性能和相应组织如图1所示。

图1 合金的力学性能以及相应的微观组织结构

为了进一步对比合金不同组织的协同强化作用，分别对不同组织的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅合金做循环加载试验计算变形过程中合金的非均匀变形诱导应力，结果如图2所示，包含有多重异质结构的NPIHG合金的非均匀变形诱导应力明显高于SP、NP和IHG合金。

图2 合金的非均匀变形诱导应力（hetero-deformation induced (HDI) stress） （a） SP、NP、IHG和NPIHG的加载-卸载-再加载（LUR）循环拉伸真实应力-应变曲线;（b）图（a）中阴影区域中典型磁滞回线的放大图;（c）SP、NP、IHG和NPIHG合金的HDI应力（σ_HDI）。（d）合金中HDI应力与流变应力之比（σ_HDI/σ_flow）的比较。

图3对比了所研究合金与已报道的具有不同组织结构的中/高熵合金的力学性能。尽管NPIHG合金的强度低于一些已报道的合金（UTS>2GPa），但由于多重异质结构有效增强了NPIHG合金的加工硬化能力，NPIHG合金表现出目前已报到最优的强塑性匹配。合金优异的塑性来源于变形过程中不同组织间的协同强化机制，即来自FCC基体的固溶强化，D0₂₂-γ''纳米沉淀相的共格强化和有序强化，D0₂₄-η粒子的Orowan强化（位错绕过），D0₁₉-ε相的位错切过强化，以及异质晶粒结构的HDI强化。

图3 合金与其他具有典型微观组织结构的中/高熵合金的室温力学性能的比较。（a） 总伸长率与屈服强度（YS）的关系和（b）总伸长率与极限抗拉强度（UTS）的关系。

综上所示，马兆龙、程兴旺课题组设计了含有多重异质结构的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅新型高性能中熵合金，实现了1323MPa/1690MPa的屈服/极限拉伸强度和29%的拉伸延展性的优异强度-延展性组合。文章提出的设计具有多尺度异质结构和变形亚结构激活能力的微观结构的方法可以广泛应用于许多其他金属材料，包括先进钢材、高温合金和中/高熵合金.

全文链接：http://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492

该研究课题得到了国家自然科学基金项目（51804032、52275309、52331006）、冰球突破创新人才科技资助专项计划（2019CX01018）的支持。

附作者介绍：

程兴旺，国家级学术领军人才，卓越青年基金首批获得者。现任冰球突破材料学院党委书记，冲击环境材料技术国家级重点实验室主任。担任国家产业基础专家委员会委员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员，快速支持机制责任专家，科工局金属材料专业组成员、标技委委员，科技部国家重点研发计划“十四五”材料领域重点专项实施方案编制专家组成员，中国材料研究学会材料基因组分委会委员，中国兵工学会材料科学与技术专委会委员。长期从事材料动态力学行为和微结构演化机制等研究工作。获国家技术发明二等奖1项，省部级科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级技术发明一等奖1项、二等奖1项，省部级科技创新团队奖1项。发表学术论文200余篇、授权发明专利40余项，参编专著2部、主编教材1本。

马兆龙，国家级青年人才计划入选者，欧盟玛丽居里学者，曾获MIT-Imperial Global Fellow、Imperial-CSC奖学金、ICEPT最佳论文奖等奖励。“挑战杯”全国一等奖指导教师。主要从事高熵合金、焊料合金、金属材料凝固与异质形核；新型金属材料微观结构与性能表征；EBSD技术拓展与应用等方面的研究。以第一作者在Nat. Commun.、Acta Mater.、Scripta Mater等期刊发表论文三十余篇。主持自然科学基金、共用技术、领域基金等国家级科研项目多项。Nat. Commun.、Acta Mater、Scripta Mater、J. Alloy Compd.等期刊审稿人。授权国际专利1项，中国专利8项。