在結構金屬材料的應用環(huán)境中，強度和塑性都是決定某一種合金體系應用場景的重要參考性能，在體系優(yōu)化的策略上也往往注重于提高合金的這兩種性能，但在很多情況下，在優(yōu)化材料力學性能時要面臨“強-塑”權衡，尤其是在屈服強度超過1.5GPa時，由于位錯累積受限，往往導致塑性不穩(wěn)定和早期失效。傳統(tǒng)通過形變孿生（TWIP效應）提升加工硬化的策略，通常局限于低層錯能材料，而其屈服強度難以超過1GPa；而高強析出強化材料的高層錯能又會抑制孿生形成。因此，研究人員們一直在追求如何實現(xiàn)當合金實現(xiàn)超高強度的同時獲得優(yōu)異的加工硬化能力和塑性。

2025年7月14日，中科院金屬所聯(lián)合香港理工大學研究團隊，在《Advanced Science》期刊在線發(fā)表題為“Ultrahigh Strength and Exceptional Work Hardening in a Hierarchical‐Structured Alloy via Hetero‐Interface‐Mediated Twinning”的最新研究成果。團隊設計了一種層級異質結構合金，實現(xiàn)了屈服強度>1.5GPa、抗拉強度2.2GPa、均勻延伸率20%的性能組合，同時具備高達6GPa的超高加工硬化速率，突破了高強與高硬化能力難以兼得的瓶頸，為先進結構材料設計提供了新思路。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202509584

【核心內容】

研究團隊得到核心設計策略是在合金內部構建分級異質雙相結構（HHDP），研究的基體材料為面心立方的Ni₃₈Co₂₅Fe₁₃Cr₁₀Al₇Ti₇高熵合金。團隊通過在粗晶區(qū)內引入高密度的L12納米析出相，同時在晶界區(qū)域構筑FCC與L12的超細晶帶，這樣的微觀結構設計特別之處在于，粗晶區(qū)能夠為材料提供具有高強度的基體，而超細晶帶及其與粗晶區(qū)之間的異質界面在拉伸過程中產生應變梯度，誘發(fā)原本在高層錯能材料中難以發(fā)生的界面調控形變孿生，這種獨特機制賦予材料超高加工硬化能力，從而在高強度下保持塑性穩(wěn)定性。

【研究方法】

團隊設計的具有HHDP結構的Ni₃₈Co₂₅Fe₁₃Cr₁₀Al₇Ti₇（at.%）合金通過電弧熔煉制備，并進行了多次重熔以保證化學均勻性，在1150℃下熱處理2h，然后在水中快速淬火，經過冷軋后在1080℃退火90s，得到非均相晶粒組織，最后合金依次在780℃和650℃下分別時效16h和24h。為了進行對比，團隊還制備了兩種成分與HHDP合金相同但處理工藝不同的樣品，一種是在冷軋后在1100℃下退火30min，得到完全再結晶的等軸晶結構（稱為“as-solutionized sample”），另一種是在“as-solutionized sample”的基礎上，在780 ℃和650 ℃下分別時效16 h和24 h（稱為“solutionized and aged sample”）。隨后團隊利用EBSD、TEM、HAADF-STEM等手段表征微觀結構，并結合同步輻射原位拉伸XRD分析孿生演化過程，揭示其變形機制。

【研究成果】

① 層級異質顯微組織

HHDP合金由82%粗晶區(qū)（平均晶粒6.9μm）與18%項鏈狀分布的超細晶區(qū)（平均晶粒242nm）組成。粗晶區(qū)均勻分布著尺寸約68nm的L1?型納米析出相，超細晶區(qū)包含三類結構：無析出物的FCC超細晶、含4nm L1?納米析出的FCC超細晶、以及L1?有序超細晶。

HHDP合金層級異質微結構的多尺度表征與相分布演化

② 卓越的力學性能及其界面誘導孿生機制

HHDP合金屈服強度1.53GPa，抗拉強度2.2GPa，均勻延伸率20%，加工硬化速率峰值6GPa，顯著優(yōu)于對比樣與文獻報道的高性能合金。原位同步輻射XRD顯示，屈服后2%應變即開始出現(xiàn)孿生，并隨形變持續(xù)演化。雖然FCC基體層錯能高達66mJ/m²且臨界孿生應力約2.6GPa，但異質界面處的應變梯度與位錯塞積產生局部超高應力，促使形變孿生發(fā)生。

HHDP合金的力學性能

HHDP合金微觀變形行為的原位高能同步輻射XRD研究

③ 孿生促進的高硬化與塑性穩(wěn)定性

EBSD與TEM觀察表明，孿生主要集中在應變梯度區(qū)，孿晶厚度約9nm，孿生與位錯交互作用顯著提升硬化能力；同時，粗晶/超細晶區(qū)強度差異產生的反向應力（HDI硬化）和納米層錯網(wǎng)絡進一步阻礙位錯運動，共同實現(xiàn)高強-高硬化-高延展性的協(xié)同。

HHDP合金多尺度微變形機制：從孿晶帶演化到位錯反應

【總結與展望】

該研究設計的HHDP合金具有獨特的分層異質結構，可以激活形變孿晶，增強超高強度合金的加工硬化和塑性，這種獨特的結構設計使合金具有1.5GPa的屈服強度和6GPa的加工硬化率，并且合金還擁有20%的均勻延伸率，這種HHDP合金在航空航天，汽車和能源行業(yè)等技術應用方面具有巨大的潛力。