1. 简介

由于兼具优异的强度-塑性组合及在极端环境下的应用潜力，面心立方（FCC）结构的高熵合金（HEAs）备受关注。然而，FCC结构限制了屈服强度，使其无法满足探索宇宙的日益增长需求。

本文提出了一种通过利用间隙原子驱动的局部化学有序（LCO）动态演化策略，在常温和低温环境下获得具有优异力学性能的FCC材料。多尺度LCO域组成的密集板条结构源于前期热机械加工中形成的平面滑移带，从而在宽温域内实现超高屈服强度。低温拉伸变形过程中，LCO进一步演化并促进显著的位错交滑移，与变形驱动的相变和孪生协同作用，产生令人满意的加工硬化效果。通过第一性原理计算揭示的低温载荷促进LCO机制，为设计先进低温材料开辟了新途径。

2. 文章亮点

1. 间隙原子驱动的局部化学有序（LCO）动态演化策略
通过引入间隙氮原子诱导多尺度LCO结构（短/中程有序），在FCC高熵合金中形成密集板条异质结构，实现常温和低温环境下超高屈服强度（1836 MPa@77K）与良好塑性的协同提升。

2. 低温变形中LCO的持续演化与位错调控机制
发现低温载荷促进LCO域动态扩展，触发位错交滑移与变形孪生/相变的协同作用，显著增强加工硬化能力（均匀延伸率11.6%），突破传统FCC材料强度-塑性权衡困境。

3. 低成本无镍高熵合金设计新范式
开发Fe49Mn30Co10Cr10N1合金，通过LCO强化与亚稳相调控替代高镍含量（8 at% Ni），在保持优异低温性能的同时大幅降低原材料成本。

3. 研究背景

随着科学技术的发展，人类对探索宇宙的需求日益增长。航空航天、深海探测、极地研究和低温存储等高技术领域应用的结构材料，通常需要在常温至低温（70至298 K）的宽温域内兼具高强度与良好塑性。与传统低温材料相比，具有面心立方（FCC）结构的高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs）展现出更优异的力学性能，包括液氮温度（77 K）下的高屈服强度和显著断裂韧性。此外，这类合金因在常温下具有优异的强度-塑性组合、耐腐蚀和抗辐照性能而备受关注。

Gludovatz等首次报道了等原子比FeMnCoCrNi HEA（Cantor合金）在77 K下比常温更优异的强度-塑性组合，这归因于变形机制从常温的平面滑移位错活动转变为低温下的机械纳米孪生，即孪生诱导塑性（TWIP）效应的激活。基于此，研究者开发出屈服强度798 MPa、均匀延伸率26%（常温）的超细晶Cantor合金。该合金在77 K变形时仍保持高屈服强度（~1.24 GPa）与良好均匀延伸率（~41%）的优异组合。然而，现有FCC结构HEAs仍无法同时在常温和低温下提供高屈服强度与理想均匀延伸率，限制了其作为关键工程部件的应用。

另一方面，传统低温合金（如奥氏体不锈钢和因瓦合金）的镍含量通常超过8 at%。近年来镍价持续上涨，开发无镍超强高塑低温合金成为紧迫课题。通过从Cantor合金中去除镍并调整Fe/Mn比例，Li等开发出亚稳态双相（FCC+六方密排HCP）FeMnCoCr HEA，其堆垛层错能（SFE）显著降低。完全再结晶（RX）的Fe50Mn30Co10Cr10合金表现出330 MPa屈服强度和60%均匀延伸率，并同时激活TWIP、相变诱导塑性（TRIP）和双向TRIP（B-TRIP）效应。为进一步提升FeMnCoCr基HEAs在宽温域内的强度，研究者尝试引入间隙原子形成固溶体。例如，He等通过氮掺杂调控SFE，获得了低温应用的超强高塑FCC材料，但其常温屈服强度低于500 MPa，表明间隙合金仍缺乏宽温域综合性能。

近期，局部化学有序（LCO）作为强化MEAs/HEAs的策略受到广泛关注。按维度可分为短程有序（SRO，

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究通过间隙氮原子驱动的局部化学有序（LCO）动态演化策略，开发出一种在常温和低温环境下均具有优异力学性能的FCC结构Fe49Mn30Co10Cr10N1高熵合金。多尺度LCO域组成的密集板条结构源于前期热机械加工中形成的平面滑移带，使材料在宽温域内实现超高屈服强度（77 K下1836 MPa）。低温变形过程中，LCO域的进一步扩展促进了显著的位错交滑移，与变形诱导的相变和孪生协同作用，产生优异的加工硬化效果（77 K下均匀延伸率11.6%）。第一性原理计算表明，低温载荷通过降低LCO构型的吉布斯自由能促进其动态演化，为设计高性能低温材料提供了新思路。该合金通过LCO强化与亚稳相调控替代传统高镍含量（8 at% Ni），在保持卓越力学性能的同时显著降低原材料成本。研究揭示了LCO在塑性变形中的动态演化机制及其对位错滑移模式的调控作用，为开发宽温域应用的超强高塑FCC材料奠定了理论基础。

全文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6398