具有超高強(qiáng)度和良好延展性的合金因其在汽車(chē)、軍事和航空航天工業(yè)中發(fā)揮重要作用而備受青睞，適用于最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。這些行業(yè)不斷要求開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和延展性?xún)?yōu)于現(xiàn)有合金的高性能合金。特別是，對(duì)二氧化碳減少的日益擔(dān)憂(yōu)導(dǎo)致全球?qū)ζ?chē)和其他工程行業(yè)的監(jiān)管，使他們不斷努力同時(shí)應(yīng)對(duì)這一當(dāng)前趨勢(shì)，并確保安全，而安全始終是優(yōu)先事項(xiàng)。因此，超強(qiáng)和延展性合金的開(kāi)發(fā)對(duì)于確保組件在服務(wù)期間的安全以及減少環(huán)境問(wèn)題都至關(guān)重要；此類(lèi)材料可以在不犧牲組件安全的情況下最大限度地減少組件厚度并減輕重量，從而在生產(chǎn)成本、燃油經(jīng)濟(jì)性和溫室氣體排放方面帶來(lái)好處。在提高合金強(qiáng)度的方法中，利用高密度的納米級(jí)沉淀物通常是大多數(shù)超高強(qiáng)度材料的關(guān)鍵策略。混料鋼，具有Co、Ni、Mo、Ti、Al、Nb和低C含量的高合金鋼，代表沉淀硬化超強(qiáng)材料。“瞅”一詞是“瞅礦”和“老化”的組合，它揭示了其通過(guò)瞅母的老化誘導(dǎo)降降的強(qiáng)化策略。壓絲鋼在金屬材料中顯示出最高的極限抗拉強(qiáng)度（UTS），根據(jù)成分和老化條件，金屬材料可以超過(guò)2 GPa。例如，據(jù)報(bào)道，18NiCo（350）級(jí)壓載鋼在峰值條件下表現(xiàn)出約2.5 GPa的顯著UTS。

另一方面，在過(guò)去十年中，一種基于多原理元素（MPE）的新型新興合金具有巨大的成分范圍，引起了材料科學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注。基于MPE設(shè)計(jì)的合金被稱(chēng)為多原理元素合金（MPEA）或濃縮復(fù)合合金（CCA）。根據(jù)它們的配置熵，它們最廣為人知的是高熵合金（HEA）或中熵合金（MEA）。自2004年發(fā)現(xiàn)高熵合金設(shè)計(jì)概念以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多具有先進(jìn)機(jī)械性能的合金，如拉伸性能，斷裂韌性，耐疲勞性或超塑性。具有原子尺寸不匹配的多種元素的固體溶液形成導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格變形和大規(guī)模固體溶液強(qiáng)化，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上有助于提高這些合金的屈服強(qiáng)度（YS）。在HEA和MEA的幾個(gè)類(lèi)別中，基于鐵的非等原子MEA（Fe-MEA）因其相對(duì)較低的成本和優(yōu)異的拉伸性能而得到了積極研究。Fe-MEAs的大成分范圍為開(kāi)發(fā)超強(qiáng)材料提供了巨大的可能性，它結(jié)合了傳統(tǒng)鋼中使用的強(qiáng)化機(jī)制，如降水強(qiáng)化或變形誘導(dǎo)的馬氏體轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為上述MEA的大規(guī)模固體溶液強(qiáng)化。

在這項(xiàng)工作中，浦項(xiàng)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Hyoung Seop Kim教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的Fe-MEA，其成分為Fe₆₀Co₂₅Ni₁₀Mo₅（at%），通過(guò)同時(shí)利用Fe-MEA和馬氏體鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有超強(qiáng)和延展性。Mo在合金設(shè)計(jì)方面具有很高的多功能性，首先，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)Mo基沉淀物來(lái)提高強(qiáng)度，而不會(huì)顯著降低延展性。Mo的大原子半徑也有助于增加固體溶液的強(qiáng)化。Co降低了釹在基質(zhì)中的穩(wěn)定性，并促進(jìn)了在壓干鋼中均勻分布的富釹沉淀物形成高體積部分。添加Ni是為了促進(jìn)老化過(guò)程中表面中心立方（FCC）相和Ni-Mo型沉淀物的形成。在目前的Fe-MEA中，使用比傳統(tǒng)馬氏體鋼更高的Co和更低的Ni含量來(lái)控制沉淀和FCC相位穩(wěn)定性。模型Fe-MEA是通過(guò)一種簡(jiǎn)單的常規(guī)制造路線制造的，涉及鑄造、均質(zhì)化、軋制和短老化熱處理，持續(xù)10分鐘，產(chǎn)生由板條狀痩石、致密納米沉淀物和恢復(fù)FCC相組成的微觀結(jié)構(gòu)。這種合金和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略導(dǎo)致了超高強(qiáng)度，根據(jù)老化溫度，YS達(dá)到1.5∼2.4 GPa。更令人驚訝的是，在650°C和700°C下老化的合金表現(xiàn)出相當(dāng)大的應(yīng)變硬化能力和均勻的延展性，這對(duì)提高結(jié)構(gòu)材料的承重能力至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)材料的承載能力從頸部開(kāi)始就迅速下降。大多數(shù)傳統(tǒng)的壓泥鋼盡管具有很高的YS和UTS，但它們過(guò)去缺乏應(yīng)變硬化性。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，馬氏體時(shí)概念可以成功地適應(yīng)高熵合金設(shè)計(jì)，以克服兩組材料的局限性，并實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和應(yīng)變硬化能力。相關(guān)研究成果以“High-density nanoprecipitates and phase reversion via maraging enable ultrastrong yet strain-hardenable medium-entropy alloy”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

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圖1.熱軋和老化條件下Fe-MEA的微觀結(jié)構(gòu)表征。（a）HR和老化樣品的同步XRD模式。插入a是（b）HR、（c）A600、（d）A650和（e）A700樣本的兩個(gè)theta范圍的放大部分，即35∼55° EBSD相位圖和IPF圖。

圖2.(a) HR、(b) A600、(c) A650和(d) A700樣品的STEM圖像。插入（a）顯示高放大倍率的STEM圖像，說(shuō)明高位錯(cuò)密度。在（d）中插入顯示與（d）對(duì)應(yīng)的選定區(qū)域衍射（SAED）模式。

圖3.A700樣品中沉淀物的TEM表征。（a）高放大倍率的A700樣品的STEM圖像。（b）（a）沉淀物中的EDS濃度剖面。（c）（a）中沉淀物的HR-TEM圖像。插入（c）顯示與沉淀物對(duì)應(yīng)的FFT模式。

圖4.A600樣品的APT分析。（a）使用A600樣品15%Mo的等表面濃度重建Fe、Co、Ni和Mo原子并重建數(shù)據(jù)。（b）（a）部分等表面，以及（c）沿（b）氣缸的納米層和納米沉淀的一維濃度剖面。

圖5.A650樣品中恢復(fù)FCC階段演變的詳細(xì)描述。A650老化樣品的STEM和相應(yīng)的EDS濃度剖面說(shuō)明了（a）存在富鉬層，（b）在富鉬層旁邊形成FCC層，以及（c）獨(dú)立的FCC層。STEM圖像中的黃線表示進(jìn)行線EDS分析的區(qū)域。EDS配置文件中的插圖是STEM圖像的放大部分，在那里進(jìn)行了線EDS分析。

圖6.隨著溫度的老化，微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖。

圖7.在當(dāng)前工作中實(shí)現(xiàn)的拉伸性能，并與其他合金的比較。（a）在HR和老化條件下，工程應(yīng)力與MEA的應(yīng)變曲線。（b）拉伸性能與其他超高強(qiáng)度合金的比較。（c）真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變硬化率與應(yīng)變曲線。

總之，Fe₆₀Co₂₅Ni₁₀Mo₅ Fe-MEA是結(jié)合大理石鋼和高熵合金的概念設(shè)計(jì)的。該合金在HR條件下表現(xiàn)出馬氏體板條結(jié)構(gòu)，在600∼700°C下老化10分鐘，引入了高密度的納米（Fe，Co，Ni）7Mo6型μ相沉淀物，以及部分相回歸富鎳FCC。微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了卓越的拉伸性能，特別是A650樣品顯示UTS為∼2.2 GPa，UE為∼6%。雖然納米沉淀物在很大程度上促進(jìn)了強(qiáng)度，但從恢復(fù)的FCC到BCC的DIMT的TRIP效應(yīng)導(dǎo)致了應(yīng)變硬化和改善UE。目前超高強(qiáng)度和強(qiáng)應(yīng)變硬化能力的組合在傳統(tǒng)壓鋼中是前所未有的。事實(shí)上，這些顯著的特性是通過(guò)簡(jiǎn)單的路線實(shí)現(xiàn)的，包括熱軋和短暫的單步老化，而不需要在更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的多個(gè)熱處理步驟，這使得目前的合金對(duì)未來(lái)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用更具吸引力。我們的工作通過(guò)高熵設(shè)計(jì)方法克服傳統(tǒng)材料的現(xiàn)有范圍和限制，為開(kāi)發(fā)高性能新型合金提供了有用的見(jiàn)解。