以Fe、Cr 和 Ni 元素為主成分的鐵基不銹鋼已廣泛用作汽車、建筑和核電工業等許多領域的工程材料，比如，2022 年全球不銹鋼和耐熱鋼產量高達 5525.5萬噸。然而，不銹鋼室溫下強度-塑性難以兼顧，且高溫強度低、抗蠕變阻力低。高溫合金可承受部件的高工作溫度和應力，在許多領域被廣泛使用。但是高溫合金含有大量昂貴的元素，如 Ni、Co、Ta 和 Mo，導致生產成本非常高。一些元素(如 Re 和 Ru)被添加到高溫合金中，以提高蠕變強度。然而，這些元素的添加進一步提高了高溫合金的密度和成本。

自2004年以來，高熵合金(HEA)及中熵合金(MEA)的出現代表了一種非常規的概念和方法；它們已被證明是最有前途的結構合金之一，具有強度-塑性協同作用和/或優異的高溫性能。盡管如此，這些合金仍然擺脫不了昂貴元素含量高的困境，如 Co、V、Hf 和 Ta，其中Co的使用最為頻繁。開發高性能、低成本、無Co的 HEA及MEA 具有重要意義。然而，適合工業應用的低成本的鐵基HEA或MEA尚未得到充分的開發。這一事實應是目前整個HEA及MEA領域必須認真面對的嚴峻挑戰。

針對上述挑戰，燕山大學的沈同德教授團隊與田納西大學Peter K. Liaw教授團隊、美國橡樹嶺國家實驗室Ke An教授、北京科技大學吳淵教授團隊合作，借助于熱力學方法計算，開發出一種新型中熵不銹鋼(MESS)：Fe₄₇Cr₁₆Ni₂₆Ti₆Al₅(原子百分比，at. %)。通過調節合金系統的構型熵來調整合金成分和Ti/Al比，以誘導這種新開發的無Co合金中形成具有低錯配度的 L1₂析出相(以最大限度地減少粗化)。該MESS在室溫下具有1.35 GPa的高抗拉強度和36%的總延伸率，強塑積高達50 GPa %。具有延展性的L1₂納米析出相與變形亞結構的動態細化共同作用，產生了出色的加工硬化能力。此外，該MESS在700 ^oC時仍能保持800 MPa的高屈服強度，不僅優于許多鐵基高溫合金和不銹鋼，而且可以與一些鎳基高溫合金相媲美。750 ^oC下的穩態蠕變速率比某些鎳基高溫合金和耐熱鋼至少低兩個數量級。出色的抗蠕變性能是通過滑動位錯和穩定的L1₂納米析出相之間的強相互作用實現的，這有效地阻礙了位錯的移動。相關研究論文于2024年7月25日在線發表于國際知名學術期刊Matter (Cell姊妹刊，影響因子17.3).

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https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.06.041

燕山大學為論文第一單位，燕山大學博士生溫康康和香港大學博士后蔡學成、燕山大學辛圣煒副教授為共同第一作者，通訊作者為燕山大學孫寶茹教授、美國田納西大學Peter K. Liaw教授和燕山大學沈同德教授。研究工作得到了國家自然科學基金和河北省自然科學基金項目的資助。

圖1表明了MESS的基本微觀結構，其是由平均晶粒尺寸為70 μm的均勻等軸晶基體和與基體共格(錯配度~0.12%)的平均粒徑為14 nm、體積分數為17%的L1₂納米析出相組成。三維原子探針表明基體和納米析出相具有多組分特征，其成分分別為Fe_55.6Ni_16.9Cr_20.7Al_2.8Ti_4.0和Ni_66.0Fe_7.4Cr_1.3Al_8.8Ti1_6.5(at. %)。

圖1. MESS 的概念設計和微觀結構特征 (A) 800^oC時，MESS在Fe-Cr-Ni相圖中的位置，屬于不銹鋼的成分范圍。(B) 具有等軸晶粒的MESS的EBSD圖像。(C) MESS的DF-TEM圖像顯示高密度納米析出相。插圖中的 SAED 圖案驗證了析出相的L1₂結構。(D) FCC基體晶粒和 L1₂ 納米析出相平均尺寸的統計分布(d表示平均尺寸)。(E) 高分辨率STEM圖像表明FCC基體/L1₂ 析出相的界面共格性（Z.A.表示帶軸）。(F) 使用3D-APT從 MESS收集的代表性原子圖，顯示每個元素的分布。Fe和 Cr在基質中富集，而Ni、Al和Ti在NPs中富集。60 at. % Ni 和 22 at. % Cr 等濃度表面的3D重建呈現了有序 L1₂ 納米析出相和FCC基體的形態。(G)一維濃度分布顯示從基體到析出相的元素分布。

圖2表明MESS在寬溫域范圍內具有良好的強度-塑性綜合性能。室溫時，MESS具有0.9 GPa的屈服強度、1.35 GPa的抗拉強度和36%的總延伸率。在如此高的σ_y下，MESS仍然表現出很強的應變硬化能力(σ_u-σ_y > 400 MPa，σ_y /σ_u < 0.7)。同時，在600 ^oC和700 ^oC下的σ_y仍然高達808 MPa和802 MPa。

圖2. MESS 的出色強度-延展性組合。(A) 不同溫度下的單軸工程拉伸應力-應變曲線。RT代表室溫。(B) 應變硬化率與真應變。與真應力-應變曲線的交點用箭頭標記，以指示頸縮不穩定性開始。(C) RT 拉伸試驗期間 MESS 的應變場分布(區域：5.2 ´ 2.2 mm²)。顯示不同宏觀應變下沿加載方向的微應變演變：3% (1)、10% (2)、23% (3)、30% (4)和36% (5)。(D) MESS的屈服強度(σ_y)、抗拉強度(σ_u)和伸長率隨測試溫度的變化；數據誤差線表示三個獨立測量的標準偏差。

圖3表明了MESS在室溫下的變形機理。不同應變段的變形亞結構表明MESS的應變硬化或流動應力的增加應該是由相鄰滑移帶之間的長程彈性相互作用主導，其中應力場由規則排列的位錯產生。因此，滑移帶細化主要解釋了MESS 的高應變硬化率和高均勻延展性；即滑移帶細化誘導塑性效應。并且位錯在二次非共面滑移系上的活動有限。值得注意的是，這些納米析出相的共格界面和納米級粒徑也有助于MESS的延展性，因為外力可以均勻分散在沉淀物和基體之間的共格界面上，并且應力集中可以大大緩解，有效抑制裂紋的過早形核。

圖3. 室溫下 MESS 的變形微觀結構。(A) 3%應變樣品的變形微觀結構。晶界上(黃色虛線)發射位錯，少量滑移帶(白色虛線)以平面位錯滑移的形式出現。插圖：沿[112]帶軸的 SAED 圖案。(B) (A)中黃色虛線矩形標記區域的放大視圖，顯示位錯剪切通過L1₂納米析出相(白色箭頭)。(C) (B)中黃色虛線矩形標記區域的特寫視圖，顯示{111}滑移系統上的堆垛層錯 (白色虛線)。插圖：帶有芒線條紋(黃色箭頭)的FFT圖像，證實了堆垛層錯的存在。(D) 在10%應變下激活更多{111}滑移帶(白色虛線)。插圖：沿[011]帶軸軸的 SAED圖案。(E) (D)中黃色虛線矩形標記區域的特寫視圖，顯示滑移帶中位錯纏結密度高(黃色箭頭)。(F) 高密度{111}滑移系導致在23%應變下形成泰勒晶格(黃色箭頭)。插圖：[110] 帶軸中的SAED圖案。(G) (F)中黃色虛線矩形標記區域的特寫視圖，顯示滑移帶內形成了較厚的高位錯密度帶和低位錯密度域。在滑移帶交叉點附近未觀察到位錯堆積。(H和I) 斷裂MESS的變形微觀結構。插圖：沿 [101]帶軸的SAED圖案。在高應變下，形成了高密度位錯墻(H)和微帶(MB)(I)。滑移軌跡顯示MB與{111}滑移面的軌跡平行（白色虛線）。

圖4結果充分證明了L1₂ 納米析出相的強化作用和延展性。室溫和 600 ^oC下真實應力下的晶格應變行為表明 L1₂納米析出相不僅可以強化基體，還可以與其共同變形，這一點可以從 L1₂獨特的{210}和{211}衍射峰在屈服后晶格應變大大增加中看出。此外，可以通過檢查衍射峰半高寬 (FWHM)與晶面間距(d)之比來評估析出相的塑性變形能力。在這種情況下，L1₂納米析出相的{210}和{211} 衍射峰的FWHM/d值隨真應變的增加而大幅增加，清楚地證明了它們發生塑性變形的能力。

圖4. 原位中子衍射結果。(A和B) 室溫和 600 ^oC拉伸變形過程中晶格應變與真應力的關系，顯示載荷從軟基體轉移到硬L1₂納米析出相，反映出析出強化的特征。(C和D) FWHM/d與真實應變的關系，表明多組分L1₂納米析出相具有延展性；數據誤差線表示 hkl 衍射峰單峰擬合的不確定性。

圖5表明新開發的 MESS 的屈服強度是傳統奧氏體不銹鋼的2~4倍，并且強塑積更高。此外，MESS高達50 GPa %的強塑積是強度相當的沉淀硬化不銹鋼的4~5倍。與BCC結構不銹鋼(鐵素體、馬氏體和雙相)相比，MESS的屈服強度和強塑積高出2~3倍。即使與鐵基高溫合金和最近報道的無鈷鐵基和鎳基 HEA/MEA相比，MESS 仍然顯示出更好的強度-塑性組合。此外，在低于 700 ^oC的溫度下幾乎觀察不到 MESS 的高屈服強度的衰減。在 800 ^oC的高溫下， MESS 仍具有~600 MPa的相對較高的屈服強度。這種高屈服強度遠遠超過大多數鐵基高溫合金和無鈷HEA/MEA，并且與一些含鎳或含鈷HEA相當。同時，在較高的蠕變應力水平(750 ^oC/300 MPa)下，MESS的穩態蠕變速率為4.89 ´ 10^-7 s^-1 ，比傳統鎳基高溫合金至少低三個數量級，例如 Haynes 282(760 ^oC /290 MPa 時為6.4 ´ 10^-4 s^-1)、Inconel 740(750 ^oC /300 MPa 時為 4.1 ´ 10^-4 s^-1)和 Sanicro 25(750 ^oC /240 MPa 時為 1.46 ´ 10^-3 s^-1)。

圖5. MESS與其他合金的力學性能比較。(A) MESS在室溫下的屈服強度與強塑積(抗拉強度和延伸率乘積)的關系，與不銹鋼、鐵基高溫合金和一些無鈷HEA/MEA 進行比較。(B) MESS的屈服強度隨測試溫度的變化，與傳統不銹鋼、鐵基高溫合金和一些HEA/MEA進行比較。當然，還有一些先進的鎳基高溫合金和不銹鋼，由于難以實現大規模工業生產(例如，增材制造、高壓扭轉和液氮冷軋所得合金)，因此沒有顯示出來進行比較。一些含鈷或鎳基HEA/MEA(Inconel 718和單晶高溫合金)由于原材料成本極高，因此沒有顯示出來進行比較。(C) 在750 ^oC時，不同施加應力下MESS的蠕變應變-時間曲線；箭頭表示樣品在蠕變試驗過程中沒有斷裂。(D) MESS與一些傳統鎳基高溫合金和耐熱鋼的蠕變速率-施加應力曲線的對比。

總結:該項研究開發了一種新型 MESS，它可以通過傳統的鑄造和熱機械處理技術輕松制造，在很寬的溫度范圍內具有出色的強度和塑性匹配，并且具有出色的高溫強度和抗蠕變性能。其材料設計原理有潛力制造出具有出色機械性能且具有成本效益的工程 MESS，有望部分替代廣泛使用的強度-塑性不匹配的傳統不銹鋼和高成本鎳基高溫合金。