金屬纖維作為一種結構功能一體化材料，是微電子機械系統(MEMS)的重要組成部分之一，在航空航天、化工和醫療等領域有著廣泛的應用。然而，在大多數傳統的金屬纖維材料中，高強度通常以犧牲塑性為代價，面臨著強度-塑性的權衡問題。隨著器件小型化趨勢的發展，這些傳統金屬纖維已無法滿足應用中對此類材料日益增長的性能和可靠性要求。因此，亟需開發具有優異力學性能的金屬纖維材料。近年來備受關注的高熵合金因其獨特的成分結構特點和優異的力學性能，為開發高性能金屬纖維材料提供了絕佳的母材候選。然而，受限于纖維有限的直徑，如何調控其結構以實現高強度和高塑性的配合頗具挑戰。

哈爾濱工業大學黃永江教授團隊與麻省大學Amherst分校陳文博士團隊、香港大學顏慶云教授（英國皇家工程院院士）合作，以CoCrFeNi高熵合金為模型材料，將電流處理技術應用于多工藝拉拔制備的高熵合金纖維中，實現了高熵合金纖維屈服強度1.1GPa、均勻延伸率43%的優異強塑性組合。相關論文以題為Achieving superb mechanical properties in CoCrFeNi high-entropy alloy microfibers via electric current treatment發表在Acta Materialia。該文章第一作者為哈爾濱工業大學博士生高小余，共同作者有麻省大學Amherst分校博士生劉健(Jian Liu)、哈爾濱工業大學孫劍飛教授、寧志良副教授、博士生伯樂等。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120203

電流處理加速了高熵合金纖維再結晶的動力學，使其在較短的時間內發生了完全的再結晶，在保留超細晶結構的同時，有效調整了結構均勻性。

圖1 不同電流密度處理高熵合金纖維的EBSD圖譜

拉伸性能測試表明，電流處理高熵合金纖維具有寬廣的性能調控空間，這為精確調整其力學性能、滿足不同的工程應用需求提供了極大的自由度。

圖2 電流處理高熵合金的力學性能以及與其他金屬纖維和塊體合金的性能比較

深入的微觀結構表征表明，電流處理引入了多種結構特征，包括超細晶(UFGs)、低位錯密度和9R相的特征結構。

圖3 電流處理高熵纖維的微觀結構

除了超細晶粒引起的晶界強化外，纖維中位錯稀缺引起的位錯源限制強化(Dislocation source-limited hardening)對屈服強度有著突出貢獻，約占屈服強度的47%。此外，晶粒中位錯的缺乏也為位錯運動和積累提供了空間，顯著提高了其加工硬化率，導致纖維在變形初始階段流變應力迅速增加，依賴于應力的多重應變硬化機制得以激活。這種順序激活機制使得高熵合金纖維具有持續的應變硬化能力，從而體現較大的塑性。

圖4 電流處理高熵合金纖維不同應變下的微觀結構特征

圖5 電流處理高熵合金纖維(ECT140)的真應力-應變曲線和加工硬化曲線，插圖顯示了纖維變形過程的示意圖

總的來說，這項工作證明了電流處理技術調控高熵合金纖維微觀結構和力學性能的有效性，并為設計具有優異力學性能的先進金屬纖維提供了一種有效策略。此外，電流處理可能適用于其他冷加工金屬材料，有望在低層錯能金屬材料中起到突出的強化效果，特別是在FCC結構高熵合金中。