高強高塑性是材料學家一直追求的目標。來自兩岸三地的研究人員設計了一種Co-Cr-Ni基中熵合金，通過低溫軋制和高溫退火獲得異質晶粒結構，經高溫退火和時效引入非均析出相，最終獲得2.2GPa超高強度和13%均勻延展率的組合。合金強化機理主要為固溶強化、異構形變誘導硬化和析出硬化。雙相異質結構是在室溫下顯著提高強度和塑性的主要原因，為未來開發高強度結構材料開辟了一條新途徑。

長久以來，具有挑戰性的結構材料（例如應用于飛機起落架，火箭箱等）需要均勻拉伸應變（> 8％）和超高強度（強度>2.0GPa），這是眾多學者的研究目標。馬氏體時效鋼經過馬氏體相變和析出強化以達到該目標。通過分析馬氏體鋼可知，控制富鈷合金中FCC相的穩定性，以避免過早出現層狀ε馬氏體，能夠同時獲得高強度和延展性。三元的Co-Cr-Ni中熵合金（MEA）具有穩定的FCC相和卓越的機械性能而成為理想的材料之一，但是現階段仍沒有研制出達到該目標的Co-Cr-Ni系合金。

近日，來自香港城市大學、沈陽航空航天大學、臺灣中山大學、北京工業大學、臺灣交通大學兩岸三地的研究人員，設計了一種Co-Cr-Ni基中熵合金，通過低溫軋制和高溫退火獲得異質晶粒結構，經高溫退火和時效引入非均析出相，最終獲得超高強度（屈服~2GPa，抗拉2.2GPa）和均勻延展性（13%）組合。相關論文于以題為“Dual heterogeneous structures lead to ultrahigh strength and uniform ductility in a Co-Cr-Ni medium-entropy alloy”發表在Nature Communications。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16085-z

本研究使用的中熵合金成分為：34.46Co-32.12Cr-27.42Ni-3Al-3Ti（at%）。對中熵合金進行三種不同的處理，分析組織性能的變化。三種處理分別為僅低溫軋制（CR）、低溫軋制后高溫退火（CRA）和低溫軋制后高溫退火最后時效（CRAA）。

研究發現中熵合金經過多道次CR后，合金顯示典型的薄片狀細長晶粒，出現沿金屬流動方向的堆垛層錯（SFs）。CRA和CRAA合金均顯示出晶粒和析出相的異質結構，CRA合金包含粗晶（約30μm）和超細晶（0.5-2μm），在晶界處分布納米級L12析出相（約100nm），晶粒內部均勻分布更細小的L12析出相（20-50nm）。CRAA與CRA合金相比粗晶和超細晶的粒徑無明顯變化，時效過程引入了高密度的L12有序相（＜5nm）。

圖1經過CR，CRA和CRAA處理的合金的微觀結構

圖2 CRAA合金的微觀結構

圖3 不同處理狀態下合金的機械性能

圖4 拉伸試驗后CRAA樣品的微觀結構

由粗晶組成的FCC結構基體在高溫退火時因變形梯度形成超細晶，隨后的時效過程中晶粒結構得以保留，一方面是L12相的釘扎作用，另一方面是Al和Ti元素引起的溶質拖曳效應。變形過程中形成的高密度堆垛層錯可以減少位錯的自由路徑，并引起動態的Hall-Petch效應有助于硬化效應。高溫退火后合金中L12相體積分數可達13.25%，時效時低晶格失配度（0.011%）和低熱處理溫度（700℃/4h）導致合金析出高密度細小L12相，該相體積分數可達10.95%，合金最終的L12相體積分數為24.2%，這種結構具有很強的二次硬化作用。

因合金的特殊結構，最終CRAA合金的強度達2.2GPa，延伸率為13%。合金強化機理主要為固溶強化、異構形變誘導（HDI）硬化和析出硬化。合金在超高拉應力下，變形后也不會形成孿晶或密排六方結構。高密度位錯的纏結可帶來較大的應變硬化效果和斷裂前的變形能力。合金中的納米析出相也對變形能力有一定貢獻，用Co原子部分替換Ni原子可以顯著提高L12相的延展性，并且通過減少Al含量可以用Ti原子替換Al原子來減弱脆化，所以合金能在達到超高強度時具有較好的延展性。

總的來說，本研究通過設計成分和加工方法，成功制造了CoCrNi-AlTi合金，其綜合性能優于現有的FCC或BCC結構的高熵合金/中熵合金。低溫軋制，退火和時效工藝使合金形成雙重異質納米結構，這種微觀結構是在室溫下強度顯著提高和具有良好的拉伸延展性的主要原因。本文為未來開發高強度結構材料開辟了一條新途徑。（文：破風）

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