導讀：高熵合金（HEA）作為一類新興材料，為開發具有綜合性能優良的合金指明了一條道路。浙江大學材料科學與工程學院蔣建中等人通過調整成分來設計基于CoNiV的面心立方/B2雙相HEA，該合金具有超高的GPa級拉伸屈服強度和從低溫到高溫的優異延展性。在已報道的韌性材料中，獲得了最高的比屈服強度（~150.2mpa·cm3/g）。本文介紹的合金在較寬溫度范圍內保持這種優異的強度-塑性協同作用的能力得到了多種變形機制的幫助，即：孿晶、層錯、動態應變時效和動態再結晶。研究結果為在較寬的使用溫度范圍內設計具有先進強度-延性組合的沉淀強化輕質HEA開辟了道路。

冶金學家一直夢想在一個溫度下同時制造具有超高抗拉強度和優異延展性（>30%塑性應變）的合金，在更寬的溫度范圍內更好。合金的力學性能顯著依賴于使用溫度，對于特定合金來說，在較寬的溫度范圍內具有優異的強度-塑性組合是極其困難的。先進的結構材料必須具有高損傷容限，而不會過早斷裂。與傳統合金設計相比，近年來出現的高熵合金（HEA）或中熵合金（MEA）提出了一種非傳統的概念和方法。這些HEA和MEA是一類由多主元素組成的新型材料，可能具有廣泛的性能組合。面心立方（fcc）CrCoNi系HEAs的特點是其室溫屈服強度較低，而體心立方（bcc）系HEAs耐火元件的延展性不足。由于早期的HEA研究主要集中在單相微結構上，由于機械性能有限，它們從實驗室設計的材料過渡到先進的結構材料成為一個主要缺點。盡管fcc結構HEA在冷態時通過激活額外的變形機制（如孿晶、相變和最近的非晶化）變得更強，但在室溫下獲得超高屈服強度一直是一個挑戰。

據報道，釩是M/HEA中的一種重要元素，通過嚴重的晶格畸變和fcc和bcc結構基體中的大失配體積，提供了強固溶硬化。在fcc基M/HEA中，fcc結構的CoNiV表現出最高的屈服強度，此外還具有較高的耐腐蝕性和氫脆性。這使得含V的M/HEA成為用于潛在結構應用的目標組。在獲得具有優異強度-延性協同效應的M/HEA方面，一種常用的開發技術是通過向固有fcc結構的基質中控制Al添加作為bcc相穩定劑來促進第二相納米顆粒（即原位沉淀增強合金）。這為開發具有超強力學性能的輕質新型合金（由于鋁的低密度）提供了令人振奮的前景。在對本論文進行審查的同時，最近發表了一篇論文，其中向VCoNi中添加鋁導致從fcc相過渡到fcc+bcc雙相結構。

在此，浙江大學材料科學與工程學院蔣建中教授團隊采用沉淀強化策略，通過簡單的Al微量合金化到fcc結構的CoNiV MEA中，以獲得雙相fcc/B2結構。盡管金屬間化合物B2相塑性較差，但其從fcc基體中的受控沉淀允許啟動額外的變形機制，以維持高加工硬化率，直至失效。因此，我們的合金可從低溫變形溫度到高溫，獲得GPa屈服強度水平和優異的延展性。相關研究成果以題“Adual-phase alloy with ultrahigh strength-ductility synergy over a widetemperature range”發表在Science Advances上。

鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi4404

作者通過向等原子fcc結構的CoNiV-MEA（12）中添加5原子%（at%）Al來制備Al5（CoNiV）95合金。該合金是在真空爐中通過電弧熔煉和吸鑄高純金屬制備的。然后對鑄板進行簡單的熱機械處理，包括均勻化、冷軋和退火。

圖1 AlCoNiV MEA的微觀結構表征(A） EBSD相位圖(B） EBSD質量圖（插圖顯示fcc相的平均粒度分布）(C）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像顯示嵌入fcc基質中的B2納米顆粒（尺寸約200 nm）的細節。還顯示了兩相的相應SAED模式和EDS圖(D） EDS線掃描[從（C）位置1到位置2的STEM圖像中提取]顯示B2相元素濃度相對于fcc基質的變化。

隨著比屈服強度從CoNiV合金的~125 MPa·cm3/g增加到Al5（CoNiV）95合金的~150.2 MPa·cm3/g，可以看出微量鋁合金化的重要性。這為設計低密度高強度合金開辟了道路，該合金具有潛在的提高能源效率的潛力，而這正是當今的需求。即使在低溫下，該合金的強度-塑性組合也可與大多數低溫鋼和一些已報道的M/HEA相媲美，因此，AlCoNiV MEA成為工程應用的誘人候選。

圖2 所研究AlCoNiV MEA的力學性能(A）不同溫度下的單軸拉伸工程應力-應變曲線(B） SHR（dσ/d?）不同溫度下的真實應變(C）室溫下研究的大多數現有合金的極限抗拉強度-斷裂伸長率匯總與AlCoNiV MEA相比 (D）室溫下，比較研究的AlCoNiV MEA與其他報告的M/HEA的比屈服強度。

圖3 77和298K下斷裂AlCoNiV MEA的變形顯微結構(A至D）分別為77-K拉伸斷裂試樣的EBSD相位圖、核平均取向差（KAM）圖、亮場（BF）-TEM圖像和低角度環形暗場（LAADF）-STEM圖像。（C）中的插圖對應于B2相的SAED模式(E至G）分別為298K拉伸斷裂樣品的EBSD相位圖、KAM圖和STEM圖。（G）中的插圖顯示了fcc矩陣和孿晶的SAED圖。（H） HRTEM圖像顯示典型孿晶結構（插圖顯示孿晶結構的快速傅里葉變換）。此處，兩張EDS圖分別對應于（D）中的LAADF-STEM圖像和（G）中的STEM圖像。黃色箭頭表示變形納米孿晶。

723k拉伸變形后觀察到從fcc-B2雙相結構到fcc-B2-σ三相結構的轉變。這個新的σ相是富V的，并且還表現出高的位錯釘扎效應，這可以從圖4A中晶體周圍的位錯堆積中看出σ的納米顆粒。XRD沒有檢測到σ相，表明其體積分數較低。圖4B顯示了在fcc矩陣中形成納米間距SF網絡的許多交叉SF，其平均間距在23和60 nm之間。這些SF也在HRTEM圖像中顯示（圖4C），并且相應的快速傅里葉變換確認在723K變形樣品中沒有形成納米晶或HCP相。在SF網絡中觀察到的高密度位錯可能有助于在高強度（>1 GPa）下實現優異的應變硬化（即在723K時，SF通過兩種貢獻（i）SF網絡釘扎移動位錯的動態霍爾-佩奇效應和（ii）SF之間相互作用形成Lomer-Cottrell（L-C）鎖。1073K變形后的顯微組織是由等軸fcc晶粒與晶界結合而成κ和B2晶粒，如圖4D所示。圖S4中的HE（高能）-XRD顯示這個新形成的κ相與fcc基體（圖4E）相比，顯示出類似的成分變化。據報道，對于基于CoNiV的三元體系，在973和1273K之間的熱處理期間存在BaPB3型-κ相。

圖4 723和1073 K下斷裂AlCoNiV MEA的變形顯微結構(A）低分辨率BF-TEM圖像顯示新形成的σ 723K拉伸變形后的納米顆粒（插圖顯示σ相）(B） 723K斷裂樣品相交SF網絡和釘扎位錯的TEM圖像(C） 723-K拉伸斷裂試樣中fcc基體中形成的SFs的HRTEM圖像(D） 1073 K下拉伸試樣的BF-TEM圖像表明低位錯密度再結晶等軸晶粒（插圖顯示了κ相）(E）從位置1到位置2的EDS線掃描顯示fcc、B2和κ晶粒(F） fcc晶粒的HRTEM圖像，無明顯位錯。

總之，在過去十年中，M/HEA研究從以相穩定性為中心逐漸轉向優化性質研究的趨勢有所加強。這為在M/HEA設計中利用現有的常規強化原理（如梯度結構、二次納米沉淀、短程有序結構和相亞穩態）開發潛在的結構應用尖端合金打開了大門。我們在這里使用一種簡單的沉淀強化方法來開發Al5（CoNiV）95 MEA，該MEA具有從低溫到中溫的持續優異的強度-塑性協同效應以及高溫下的超塑性行為。我們深入了解了不同變形溫度下的多種增韌機制。M/HEA提供的化學復雜性可以與現有的常規強化方法相結合，以開發高性能合金，從而證明M/HEA工業制造將帶來相對較高的成本。