研究背景
高熵合金（HEAs）因其独特的成分和结构设计，在突破传统金属材料强度与塑性不可兼得的“权衡困境”方面展现出巨大潜力。然而，如何进一步协调其强度与塑性，尤其是在极端低温环境下仍保持优异性能，仍是材料领域面临的重大挑战。
刘祥奎等人发表于《Journal of Materials Science & Technology》 的一篇题为Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures的研究性论文，提出并验证了一种通过异质结构设计大幅提升共晶高熵合金综合性能的策略。该研究通过在Ni-Fe-Al-V体系中进行成分设计，并结合冷轧和退火的热机械处理，成功在合金中构建出包含FCC/L12软相与B2硬相的双相异质结构，其中嵌有高密度纳米析出相（L12）、位错墙、再结晶/变形晶粒等多尺度缺陷。
这种巧妙的“结构编织”使该合金在室温下表现出高达~1550 MPa的屈服强度和~16.5%的延伸率；更令人瞩目的是，在液氮温度（77K） 下，其屈服强度进一步提升至~1877 MPa，同时仍保持~10%的均匀延伸率，实现了低温下的超高强塑性匹配。机理研究表明，其优异性能源于异质变形诱导（HDI）硬化、位错-析出相强交互作用以及低温下变形孪晶的激活等多重机制的协同贡献。该工作不仅为设计具有极端环境适应性的高性能金属材料提供了新的理论依据和实验范例，也彰显了“异质结构与多相调控”策略在打破材料性能极限方面的巨大潜力，为下一代结构材料的开发开辟了新的道路。
文献链接
DOI:10.1016/j.jmst.2024.10.008
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图文解读
图1系统揭示了Ni49Fe28Al17V6合金的微观结构演变：铸态合金呈现典型的FCC/L12与B2相交替排列的共晶层片结构，并通过SAED和XRD确认了两相的有序特征；经过冷轧及退火处理后，合金形成了典型的双相异质结构，EBSD分析表明其无显著织构，FCC/L12和B2相体积分数分别为56%和44%，且FCC相因塑性变形具有更高的几何必需位错（GNDs）密度；TEM进一步显示，FCC相中位错密度显著高于B2相，B2相内部析出富含Ni、Fe、V元素的L1₂纳米相（尺寸约230 nm），整体结构包含再结晶晶粒、变形晶粒及高密度位错墙等多尺度特征，这种异质结构显著提升了合金的综合力学性能。
图1 铸态与CR-A750 EHEAs的微观结构
(a) 铸态EHEA的SEM显微结构。 (b) 铸态EHEA的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。 (c, d) 对应于FCC/L12和B2相的选区电子衍射（SAED）花样。 (e) CR-A750 EHEA的EBSD反极图（IPF图）。 (f) CR-A750 EHEA的EBSD相图。 (g) CR-A750 EHEA的EBSD核平均误取向（KAM）图。 (h) CR-A750 EHEA中再结晶晶粒、亚结构和变形晶粒的EBSD图。 (i) CR-A750 EHEA的明场（BF）TEM图像，显示B2层片中存的 L12纳米析出相。 (j) L12纳米析出相的放大TEM图像。 (k) L12纳米析出相的TEM-EDS元素分布图。 (l) L12纳米析出相的高分辨TEM（HRTEM）图像及对应的SAED花样。 (m–o) 明场（BF）TEM图像。 (p) 和 (q) 中的圈出斑点（分别在(m)中用绿色和红色圆圈标出）为相应的超点阵衍射斑点。
图2（a）中的拉伸工程应力-应变曲线表明，CR-A750 EHEA不仅在室温（298 K）下表现出优异的高强度-高塑性组合（屈服强度~1550 MPa，抗拉强度~1772 MPa，延伸率~16.5%），在低温（77 K）下更展现出超高强度特性（屈服强度~1877 MPa，抗拉强度~2157 MPa），同时仍保持~10%的均匀延伸率。图2（b）的加工硬化率（SHR）曲线显示，室温和低温下的变形分别呈现四阶段和三阶段特征，表明其具备卓越的应变硬化能力：初始阶段（ε
图2 CR-A750 EHEA在室温和低温下的力学性能
(a) 拉伸工程应力-应变曲线。(b) 加工硬化率曲线。插图为真应力-应变曲线。(c) CR-A750 EHEA的屈服强度与均匀延伸率，与已报道的高性能EHEA在室温下的性能对比。(d) CR-A750 EHEA的屈服强度与均匀延伸率，与已报道的高性能EHEA在低温下的性能对比。
图3通过TEM分析揭示了CR-A750 EHEA在室温拉伸后的变形机制：断裂后合金仍保持FCC/L12与B2层片结构，其中FCC相因较软率先发生塑性变形，呈现更高的位错密度，并形成位错墙、位错胞和位错缠结等典型变形特征；高密度L12纳米析出相对位错运动产生显著钉扎效应，进一步促进位错增殖；两相界面处存在高位错堆积，阻碍位错从FCC相向B2相传递，而B2相中少量位错主要来源于界面传递或自身激活，其滑移以平面滑移为主，且B2相中的L12析出相可阻碍滑移从而提升整体强度；HRTEM与SAED确认FCC与B2相之间存在K-S取向关系，HAADF-EDS元素分布表明B2相富Al，FCC相富Fe和V元素。
图3 CR-A750 EHEA在室温下的变形机制
(a) 拉伸断裂后FCC和B2层片的TEM图像。(b) 变形特征的TEM图像，显示了相界面处的位错堆积、位错墙以及B2层片中存在的L12纳米析出相。(c) 位错胞结构及高密度位错间强交互作用的变形特征。(d) FCC与B2相界面的高分辨TEM（HRTEM）图像。(e) CR-A750 EHEA的高角度环形暗场-能谱（HAADF-EDS）图像。
图4通过TEM分析揭示了CR-A750 EHEA在低温（77 K）拉伸断裂后的变形机制： FCC层片中存在显著高于B2相的高密度位错，同时高密度L1₂纳米析出相有效阻碍位错滑移，二者强烈交互作用促进位错缠结与增殖，是实现低温超高强度（>2150 MPa）的关键。低温下热激活能降低导致位错运动困难，位错在穿越FCC/L1₂相界前即发生积累，尤其对温度敏感的FCC相中位错密度显著升高，并在相界面形成位错塞积。更为重要的是，低温下首次观察到变形孪晶的形成（图4(c)），其通过动态Hall-Petch效应细化晶粒，显著延缓颈缩并提升加工硬化能力；孪晶界进一步阻碍位错运动，形成位错积累（图4(d)），共同赋予材料低温下超高的强塑性组合。
图4 CR-A750 EHEA在低温下的变形机制
(a) 暗场TEM图像。(b) 明场TEM图像。(c) 变形特征的TEM图像，如位错堆积、位错缠结和变形孪晶。(d) 变形孪晶及对应的选区电子衍射（SAED）花样。
总结
该合金通过优化的热机械处理构建了独特的FCC/L12与B2双相异质结构，其在室温下表现出高强度（屈服强度∼1550 MPa，抗拉强度∼1772 MPa）与良好塑性（延伸率∼16.5%）的优异组合，而在低温下更实现超高强度（屈服强度∼1877 MPa，抗拉强度∼2157 MPa）的同时保持∼10%的均匀延伸率。
性能提升主要归因于两大机制：
室温下的强HDI（异质变形诱导）硬化：软FCC相先发生塑性变形，硬B2相保持弹性，导致相界面产生高密度几何必需位错（GNDs），引发长程背应力。通过加载-卸载-再加载（LUR）测试测得HDI应力在屈服点附近达∼895 MPa，占总屈服强度的55%，且在变形过程中始终高于有效应力，起主导作用。
低温下的变形孪晶强化：除HDI硬化外，低温下变形孪晶的形成通过动态Hall-Petch效应引入额外界面，缩短位错平均自由程，孪晶界阻碍位错运动并促进位错增殖，进一步显著增强应变硬化能力与强度。
本文源自微信公众号：中材新材料
原文标题：《《JMST》：金属材料也能“文武双全”？双相异质结构高熵合金实现室温与低温的强塑性》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/xZQWk0k3D-zq2aLLW1n0cg
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