多組元復雜協同實現高的基體性能，高熵合金（HEAs）憑借這一獨特的優勢，近年來是金屬合金材料的一大熱門研究方向，但如何在基體的性能基礎上進一步優化性能，是目前主要關注的內容之一，在FCC結構的高熵合金研究內容中，研究人員們一直追求能夠同時提升強度、延展性與腐蝕抗力的優化策略，例如傳統的馬氏體相變增強雖能顯著提高應變硬化，但往往帶來塑性疲軟與脆性斷裂等問題。

中南大學李志明教授團隊發現若是在Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀五元高熵合金中引入少量間隙C元素進行調控，實現了同時提升強度、延展性與耐腐蝕性能的突破性進展，團隊將這一創新性的成果發表在了國際期刊《Materials Science & Engineering A》上，題為“Interstitials enable enhanced mechanical and anti-corrosion properties of a non-equiatomic quinary high-entropy alloy”，該研究成果為高性能高熵合金的設計提供了新的范式。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147970

【核心內容】

團隊在非等原子比Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀高熵合金摻入了0.5at.% C后，C原子在合金內形成了間隙固溶體，團隊針對性地研究了C原子帶來的間隙強化，系統研究了其顯著提升合金力學性能與腐蝕抗力的機理，最終通過多維度的表征手段發現C的加入在提高堆垛層錯能（SFE）方面有顯著效果，馬氏體相變因此受到限制，從而激發更為細密的孿晶強化機制，還改善了材料的電化學行為，使合金在硫酸溶液中展現出更低的活性溶解電流密度和更優的鈍化行為。

【研究方法】

在材料制備上，團隊通過真空電弧熔煉法進行合金制備，并通過熱軋與冷軋工藝處理后得到了不含碳和摻雜0.5at.%碳的兩組高熵合金，隨后將兩種高熵合金分別在900 ℃（30min）與1100℃（40s）條件下退火，以獲得晶粒尺寸相近的單一FCC結構。最終對得到的樣品經過系統的實驗流程和多尺度表征手段，全面揭示了間隙碳原子對Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀高熵合金力學與耐腐蝕性能的協同強化機制。

【研究成果】

① 微觀結構無析出，晶格畸變增強

結果表明，兩種合金均為單一的面心立方結構結構，但是團隊發現在添加了C元素之后，合金在XRD測試中的衍射峰角度相比未摻C的合金略微移動了大約0.02°的范圍，這種細微的轉變恰恰表明了由于C的加入，合金內部的晶格畸變更加嚴重，晶格參數發生改變。通過XRD譜圖計算，無C和摻C合金的晶格常數分別為3.5831Å和3.5879Å，碳在基體中溶解產生了更強的晶格畸變與應力場，增強了固溶強化效果。

C-free 與 C-doped 合金的初始微觀結構，包括XRD、EBSD、相圖和EDS分布圖

② 力學性能同步提升

在相同晶粒尺寸下，由于C帶來的固溶強化，使得合金的屈服強度提高了大約50MPa（239MPa提升至287MPa），延伸率也由78.3%提高到86.7%，展現出優異的強-塑性協同提高能力。

兩種合金的應力-應變曲線與應變硬化行為對比

③ 變形機制遷移：TRIP→TWIP

0.5at.% 的C增加，使Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀ HEA的SFE由10mJ/m²提升至15mJ/m²，結果表明，摻C合金的主要變形機制轉變為機械孿晶，緩解了“局部塑性”耗盡的困境，具有較好的塑性，在高達60%真應變下，未摻碳合金中的HCP相體積分數高達38.5%，主導機制為傳統的馬氏體相變；而C-doped合金幾乎不發生HCP相變（<2.3%），取而代之的是細密均勻的機械孿晶，從而更好地維持塑性并避免局部開裂。隨著應變增加，未摻碳合金中HCP相比例持續升高，最終達到47.5%；而摻碳合金中HCP含量始終低于3%。

60%拉伸變形下兩種合金的EBSD相圖與高分辨BSE圖像

弱束暗場STEM下Shockley部分位錯分離距離分析與SFE計算

不同應變下兩種合金HCP相體積分數變化趨勢

④ 腐蝕行為顯著改善

電化學極化曲線表明，C-doped合金活化電流密度下降兩個數量級（1.1×10^-3 A/cm² → 3.4×10^-5 A/cm²），表現出更早鈍化和更寬廣的鈍化電位區間，說明其在硫酸溶液中具備更強的耐腐蝕性能。

C-free 與 C-doped 合金的循環極化曲線及電解液中金屬離子濃度

【總結與展望】

這項研究揭示了間隙碳對非等原子五元HEA（Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀）的力學和腐蝕行為的影響，通過精確摻雜0.5at.%的C，實現了“強-塑-腐蝕”三重性能協同優化，該策略為航空航天、海洋結構等嚴苛服役環境下的合金材料設計提供了創新性的新思路。