近年來，多組元中/高合金的出現開創了合金材料設計的新理念，并具有突破傳統材料諸多性能極限的潛能，使其在極端環境中應用極具前景。在這些材料中，面心立方(FCC)的HEAs/MEAs在低溫下表現出優異的力學性能，這與層錯、變形孿晶和/或變形誘導馬氏體轉變(DIMT)機制的激活密切相關。特別是，通過成分和變形溫度控制相穩定性的“亞穩工程”策略已廣泛應用于開發高性能HEAs/MEAs，其中Fe基亞穩高熵合金在這方面呈現出極大的潛力。

近日，浦項科技大學高熵合金研究中心的Hyoung Seop Kim教授報道一種了雙相Co17.5Cr12.5Fe55Ni10Mo5（Mo5）中熵合金在室溫至0.5K的寬溫域內的力學性能和變形誘導的組織演變，該合金表現出優異的強度和塑性，并具有較高的應變硬化能力，其屈服強度、抗拉強度、應變硬化能力和吸收功等性能均優于大多數低溫合金和HEAs。這是首次在如此低的溫度下對其力學行為和變形進行的研究，這推動的人們對高熵合金低溫力學行為的進一步認識。相關成果以“Deformation behavior of a Co-Cr-Fe-Ni-Mo medium-entropy alloy at extremely low temperatures”為題發表在材料領域權威期刊Materials today（https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.08.001）上。

該工作系統研究了Mo5合金在極低變形溫度(0.5 K)下的力學性能和微觀組織演變。基于材料在變形溫度下的熱-力學耦合假設，闡明了馬氏體分數的變化的異常和位錯密度的非單調變化等不尋常的特征，以及相關異常力學行為，研究表明：

1)Mo5中熵合金在液氮和液氦溫度下表現出優異的力學性能。在屈服強度、極限抗拉強度、應變硬化能力和吸收功方面，其性能均優于大多數合金和低溫應用的HEAs。

2)Mo5合金具有優異的低溫力學性能，包括高屈服強度(1075MPa)和良好的應變硬化能力，在4.2K時，抗拉強度高達1651MPa，這主要是由于FCC向BCC和HCP相的轉變（變形誘發馬氏體）。

3)首次在0.5K的低溫條件下研究了雙相MEA的力學性能, 該合金在這個溫度下的性能與液氦溫度下相當。

4)在4.2K以下的溫度范圍內發現了四種特征現象，即非連續塑性變形、屈服強度、塑性和變形誘發馬氏體相變的異常溫度依賴性。在大致相同的溫度范圍內，這些效應之間的相互關系不是偶然的，而是由共同的物理機制所控制的。

5)我們假設異常的屈服強度和不連續塑性流動是位錯運動慣性機制的結果。通過考慮變形絕熱加熱，闡明了局部溫升對Mo5中變形誘發馬氏體相變和位錯密度演化的影響。在DPF體系中，溫度的升高和應力的降低改變了FCC和BCC相之間吉布斯自由能的差異，因此，大量激活的位錯從由螺位錯向刃位錯的轉變(在0.5-4.2 K的溫度范圍內)抑制了材料通過交滑移進行動態恢復的能力。

6)從斷裂機理上解釋了塑性異常，即4.2K和2.1K下的剪切帶導致應變局部化和后續災難性斷裂。在77K和0.5K條件下，變形馬氏體有效地緩解了應變局部化導致更高的延性。

圖1. （a-c）Mo5中熵合金初始組織；（d-g）Mo5合金在室溫到0.5K低溫下的力學性能

圖2. Mo5合金低溫變形后的EBSD相圖

圖3. Mo5合金在4.2 K下變形的TEM圖像，出現大量的變形誘導馬氏體。

圖4. BCC相分數和位錯密度隨真應變和溫度的變化。

圖5. TEM雙束成像技術分析Mo5合金在4.2K變形后的位錯特征

圖6. Mo5合金的熱力學計算結果和主要的溫度依賴性機制示意圖。

圖7. Mo合金在不同溫度下與報道高熵合金和傳統低溫合金性能對比圖