實現高強度與高延展性的協同突破一直是結構材料設計的核心挑戰。對于含有脆性金屬間化合物的多主元合金（MPEAs），強-塑性難以兼得常受限于B2相的早期脆斷行為。盡管前人通過引入納米析出相或梯度結構等方式實現局部改善，但往往面臨處理復雜、成本高昂、難以規模化等問題，尤其在存在脆性金屬間相的高熵或多主元合金（MPEAs）體系中，強-塑性權衡問題尤為突出。

由上海大學時培建教授為第一兼通訊，香港城市大學劉錦川院士，清華大學高華健院士、香港城市大學朱運田院士和上海大學鐘云波教授為通訊作者，以及北京大學、北京科學智能研究院、新加坡科技研究局高性能計算研究院、香港大學與香港科技大學等多家重磅單位的研究人員，強強聯合組成的豪華團隊，在《PNAS》期刊發表了題為“Strong, ductile, and hierarchical hetero-lamellar-structured alloys through microstructural inheritance and refinement”的研究論文，該工作創新性提出了一種基于組織繼承與快速熱處理的層級異質結構設計策略，在僅需10分鐘退火的條件下，即實現了超越以往復雜處理工藝的強度-延展性協同性能極限，為高性能結構材料的快速制備提供了新的范式。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2409317121

【核心內容】

這項研究通過簡單的冷軋和10min退火的方法在三相Al0.7CoCrFeNi多主元合金中制備出了層級異質層片結構（HLS），團隊提出的這一優化方案相較于其他方案，無論是工藝簡易程度亦或是成本上都要更加出色，且這一優化策略取得了顯著的成果，屈服強度和延伸率分別提升到了1.07GPa和20.5%，實現了力學性能跨越式的優化，將這一性能組合與已被報道的Al0.7CoCrFeNi性能組合對比，取得了明顯的優勢，就目前而言，這一“強-塑組合”超過了目前關于Al0.7CoCrFeNi多主元合金的其他性能組合報道。

高熵合金應力演化與相變的多方法定量評價

【研究方法】

作為典型的三相多主元合金體系之一的Al0.7CoCrFeNi合金，其在鑄態下會在自發形成FCC/BCC/B2三相層片結構，團隊將這一結構特征作為結構基礎，采用定向冷軋工藝使原始的層片結構沿軋制方向（RD）拉伸并在厚度方向（TD）實現晶粒細化和亞結構的引入。軋制后的樣品在1000℃下退火10min后內部發生再結晶，得到了一種多尺度協同存在的HLS結構。

作者采用了多種表征手段對樣品的晶體取向、晶界特征、元素分布以及原子尺度的析出行為和應力分布進行了系統分析，揭示了微觀組織演變及其對性能的影響，通過加載-卸載-再加載（LUR）實驗和原位SHE-XRD測量定量追蹤了異質變形誘導（HDI）應力的演化和各相之間的應力分配關系，進一步揭示了其強化機制。

鑄態與處理后Al0.7CoCrFeNi合金的多尺度層片結構演化過程

【研究成果】

① 力學性能提升

該合金在退火僅10分鐘后就表現出了1072±22MPa的超高屈服強度和20.5±1.2%的優異延伸率，力學性能顯著優于目前已報道的該體系合金最優異的性能水平。

不同處理路徑合金的力學性能對比與應力-應變曲線

② 強化與變形機制解析

HLS結構中產生了高達610MPa的異質變形誘導（HDI）應力，不僅在FCC相中形成大量位錯堆積、層錯與納米孿晶，更在B2相中激發出<111>型滑移系，顯著改善了其本征脆性問題，這種多尺度和多機制的協同作用共同賦予了材料的高應變硬化能力和塑性。作者基于第一性原理計算還證實了該合金體系中FCC相的層錯能高達3 mJ/m²，理論上并不容易發生孿生，但由于高HDI應力的推動，仍成功激發了大規模的納米孿晶行為。

層級結構高熵合金的多相缺陷協同演化機制

層級高熵合金多尺度缺陷結構與雙相變形耦合機制

③ 額外韌化機制：裂紋緩沖與延遲斷裂

HLS結構中雙相層片協同塑性變形形成了有效的裂紋緩沖區，即使在B2相中能夠觀察到在斷裂端附近存在許多的微裂紋，但其強雙相異質變形的片層區可以有效地抑制從相鄰的弱片層區和非片層區侵入的一些較大且較長的裂紋的生長/擴展，裂紋尖端被層片結構阻擋而難以擴展或聚合，從而顯著推遲了整體破壞的發生。

鑄態與處理后樣品中微裂紋形成與擴展行為對比

【總結與展望】

在這項工作中，團隊提出了一種微觀結構的多尺度設計策略，其創新性地以“繼承”的方式，基于鑄態的三相層狀結構進行精準調控，通過快速且簡單的工藝方案成功實現了高強高塑的協同突破，這一項研究不僅僅刷新了關于Al0.7CoCrFeNi MPEA體系報道的力學性能上限，也為其他多相合金體系提供了結構優化的思路。