傳統強化方法可以將材料的屈服強度提高至10⁹帕（GPa）水平。然而，強度的大幅提升通常伴隨著拉伸塑性的大幅降低。對金屬而言，其原因是在高流變應力下拉伸時極易發生嚴重的變形局域化，使得塑性變形失去穩定性。只有當加工硬化率（應力—應變曲線的斜率）足夠高時（當流變應力為GPa時，應變硬化率也需維持在GPa），金屬才能保持穩定的均勻拉伸變形。然而，強化后的合金加工硬化率通常不升反降，一般跟不上提高了的流變應力。因此，合金極難既有GPa級屈服強度、又有與單質金屬媲美的大延伸率，難以做到“魚和熊掌兼得”。

多主元合金為攻克上述科學/工程難題提供了新的機遇。多主元合金是以高構型熵為設計理念的一類金屬，通常由3種以上的元素以接近等原子比混合組成，又稱為高熵合金（High-entropy alloys, HEAs）。高熵合金一開始時曾被認為是各組元元素隨機占位的固溶體。最近幾年，復雜的實驗表征和模擬計算表明， HEA的高濃度組分帶來了傳統固溶體不具備的新特征——從亞納米到約十納米尺度上的化學不均勻性。

近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室馬恩教授和劉暢教授對高熵合金中這種非常規的化學不均勻性進行了全面的闡述。該工作以“Chemical inhomogeneities in high-entropy alloys help mitigate the strength-ductility trade-off”為題發表在國際材料頂級綜述期刊Progress in Materials Science （IF=37.4）。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室材料創新設計中心(CAID) 為論文唯一單位。該研究得到了國家自然科學基金委及國家青年人才計劃的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101252

該綜述介紹了高熵合金中幾種典型的化學不均勻性，包括化學成分起伏、局域化學序以及豐富的“界面”。不同于傳統澆鑄合金內存在微米到更大尺度的偏析和不均勻，HEA在微米尺度上看是均勻混合的溶體，但在納米尺度上卻像“雞尾酒”。這種納米尺度上的化學不均勻性是濃固溶體的本征特性，且對合金的強塑性具有重要作用。在強度方面，化學不均勻性為位錯運動制造了復雜的環境：位錯需要穿過不同組分、不同化學有序度的納米級局部區域，因而位錯的能量“因地而異”。由此造成的能量對空間距離的一階導數不為零，表示位錯線受到額外阻力，會傾向于在低能量處停滯，導致其間歇式、波浪狀地向前運動，此種類型的位錯運動需要更高的驅動應力。這一獨特的位錯運動方式可以用納米位錯段脫捕（nanoscale segment detrapping）機制來描述。與此同時，在加工硬化方面，顯著減緩乃至不時停滯的位錯運動會促進位錯的相遇、反應、纏結和塞積。大量局部區域的低層錯能也使得在拉伸變形過程中很容易產生層錯、孿晶、相變層等，動態細化了微觀組織。

這幾項缺陷的累積，可有效地阻礙后續位錯的運動，使材料在高流變應力下仍保持足夠高的加工硬化率，從而抑制應變局域化（塑性失穩），延長均勻拉伸塑性和總延伸率。以上見解，可以解釋圖1中總結的最新數據：高熵合金帶來了許多“又強又塑”的新金屬材料，并正向著“既有高強度合金的GPa級屈服強度、又有可與單質金屬媲美的大延伸率”（即圖中右上角）的方向擴展。本綜述提出的納米尺度化學不均勻性策略，對如何解決金屬材料 “強度—塑性相互掣肘”這一公認難題，提供了新的思路。

圖1 金屬合金的拉伸屈服強度 versus 均勻延伸率（a）和斷裂延伸率（b）：淺藍色區代表傳統金屬；粉紅色區域代表納米異構金屬；黃色區中的高熵合金（不同顏色代表不同晶體結構的HEAs）帶來了許多“又強又塑”的新金屬材料，并表現出向著圖中右上角方向鋪展的明顯趨勢。而右上角方向代表著人們長期以來追求的目標：“既有高強度合金具有的GPa級屈服強度、又有與單質金屬媲美的大（~50%量級）延伸率”。