材料的強度和韌性對于確保構件的安全服役至關重要，但這兩者往往存在相互制約的關系。多主元合金因其獨特的組元設計和優越的力學性能，近年來成為材料科學領域的研究熱點。為了解決這種權衡問題，自然界無疑是最好的導師。天然生物材料在常溫下能夠形成復雜且精妙的多尺度組織結構，其優異的力學性能為金屬材料的強韌化設計提供了重要啟示。然而，傳統金屬材料的優異性能通常依賴于多步驟的冷加工或熱加工處理，而這種復雜的工藝在鑄造合金中難以實現。

為應對這一挑戰，山東大學機電與信息工程學院宋凱凱教授、南京理工大學講師寇宗德博士、中國科學院金屬研究所劉增乾教授、山東大學材料科學與工程學院胡麗娜教授聯合攻關，通過從自然界中汲取靈感，設計出了一種新型鑄態多主元合金。該合金在不需要復雜的熱處理和冷/熱加工的條件下，成功實現了高強度和高塑性的完美結合，打破了鑄造合金性能的瓶頸，開辟了新型鑄態多主元合金研發的新方向。這一研究成果以“Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure”為題，發表在材料領域頂刊《Materials Today》（影響因子21.1）上。

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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.009

這項研究通過熱力學參數和相圖計算（見圖1），成功確定了(CrFeNi)_100-x-yAl_xTi_y(at.%)多主元合金體系的相形成區域，并設計和制備出具有復雜多級異質結構的Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄態多主元合金。如圖2所示，其結構特征為微米級的BCC晶粒分布在連續的FCC結構框架中，FCC基體內形成了L1₂型有序納米析出相，而BCC晶粒內部則析出了亞微米級的核-殼結構的相以及η相和B2相等納米級析出相。

圖1：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅多主元合金的成分設計及相分析

圖2：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄態多主元合金的多級異質結構

如圖3所示，該合金在拉伸性能方面表現出優異的強度與塑性組合，具有約1175?MPa的屈服強度、約1621?MPa的抗拉強度和約15%的延伸率，其拉伸屈服強度是鑄態CrFeNi多主元合金的七倍。在變形過程中，這些多級析出相通過復雜的協同作用，誘導出大規模的位錯網絡和層錯結構（圖4），使材料在高應變硬化行為下仍具備優異的強度和塑性。此外，隨著塑性變形的進行，軟硬區域之間的應變梯度增加，從而在多個尺度上產生局部應變梯度。這種應變梯度的調節需要位錯儲存，并產生長程背應力，阻礙位錯在FCC基體中的運動，直至BCC相開始屈服。這種背應力硬化效應與傳統的位錯硬化行為疊加，不僅通過阻止變形不穩定性來增強合金強度，也在提升韌性方面發揮重要作用。該合金的顯著特點是無需經過復雜的多步驟熱處理或冷/熱加工即可獲得優異的性能表現。該項研究針對其凝固過程也進行了詳細的研究（如圖5），全面分析了合金在凝固過程中的微觀結構演變過程，尤其是L1₂、核-殼結構的相、η相和B2相等多級析出相的形成過程，為深入理解優化多主元合金的設計和制備工藝提供了理論基礎。相較于傳統的鍛造合金，這種新型的鑄態多主元合金以更為簡便的制造工藝實現了高性能的突破，展示了鑄造工藝在先進材料開發中的巨大潛力。

圖3：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄態多主元合金與其他合金的拉伸性能對比

圖4：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄態多主元合金斷裂后不同尺度微觀組織的分析

圖5：鑄態多主元合金中多級異質結構的演化和力學作用示意圖

該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省自然科學基金和遼寧省杰出青年基金等多個項目的資助。這些支持為研究的深入開展和取得重要成果提供了重要保障。