近日，東北大學材料科學與工程學院賈楠教授課題組在國際頂級學術(shù)期刊《科學進展》（Science Advances）上在線發(fā)表題為Local chemical order enables an ultrastrong and ductile high-entropy alloy in a cryogenic environment的研究論文。東北大學為該文的第一完成單位，材料科學與工程學院2021級直博生孫利芳和青年教師何竹風為共同第一作者，材料科學與工程學院賈楠教授、申勇峰教授和閆海樂副教授為共同通訊作者。東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室、軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室、中國科學院金屬研究所以及美國田納西大學為合作研究單位。

隨著人類探索太空與未知世界的需求日益增加，應用于航空航天、深海艦船、極地科考和低溫存儲等高新領(lǐng)域的金屬結(jié)構(gòu)材料要求其在從室溫到深低溫（~70K）的寬溫域中同時具有高強度與良好的韌性。該文通過引入間隙原子N的手段調(diào)控合金的層錯能并使材料內(nèi)局部化學有序（LCO）度顯著增加，同時利用中等形變量冷軋和部分再結(jié)晶退火相結(jié)合的簡單熱機械處理，構(gòu)造了一種具有多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)的FeMnCoCrN高熵合金。該材料在室溫和液氮溫度下均表現(xiàn)出超高的屈服強度和良好的韌性匹配，特別是在77K下拉伸變形時的屈服強度和均勻延伸率相比于298K下獲得了同步的提升，分別由1170MPa和8.2%提升至1836MPa和11.6%。經(jīng)研究，室溫下超高的屈服強度主要得益于所構(gòu)造的多尺度異構(gòu)。液氮溫度下屈服強度的大幅提升則歸因于在屈服階段即已發(fā)生的機械孿生和馬氏體相變以及低溫引起晶格摩擦力的提升。液氮溫度下加工硬化能力的提升則歸因于該材料在塑性變形過程中除了室溫下表現(xiàn)出的機械孿生和位錯平面滑移外還激活了LCO結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化及其引起的位錯交滑移。

圖1.所開發(fā)合金在室溫和深低溫環(huán)境中的拉伸力學性能及與其它高性能低溫材料的對比

圖2.多尺度異構(gòu)合金的微觀結(jié)構(gòu)特征

該文開發(fā)的高性能低溫用金屬材料避免了成本高昂的合金化，提出的設計策略可望為開發(fā)先進—低成本—低溫用結(jié)構(gòu)材料開辟新途徑。該文是賈楠教授課題組近年來在先進金屬結(jié)構(gòu)材料—高強韌面心立方高熵合金研究方向的系列成果之一。上述研究得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業(yè)務費等項目的支持，特別感謝東北大學分析測試中心在精細微結(jié)構(gòu)電鏡表征以及織構(gòu)測試方面提供的幫助。