近日，东北大学材料科学与工程学院贾楠教授课题组在高强韧性异构高熵合金研究领域连续取得进展，相关成果分别发表于材料顶刊Acta Materialia（论文题目：Cross-scale heterogeneity enables strengthening and strain de-localization in a FeMnCoCr multi-principal element alloy）和International Journal of Plasticity（论文题目：Achieving high strength-ductility synergy in a body-centered cubic FeMnCoCrN compositionally complex alloy via multi-heterostructure design）。东北大学为第一完成单位，博士研究生潘海正、张浩分别为论文第一作者，辽宁材料实验室为合作研究单位。
在航空航天、高端装备等领域的快速发展下，金属材料的强韧性协同提升已成为亟待突破的核心难题。传统合金往往难以兼顾高强度与高塑性，而异构结构设计为这一困境开辟了新途径。FeMnCoCr系高熵合金因优异的室温塑性和断裂韧性备受关注，但其主导的面心立方晶体结构导致合金屈服强度低，难以满足实际工程需求。针对此，课题组以经典的亚稳双相高熵合金Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀为研究模型，通过创新微结构调控工艺与合金设计，实现了该合金体系强度与拉伸塑性的协同提升。
“高强韧面心立方合金的跨尺度异构组织构筑 ”研究成果，通过“三轴循环压缩+块体短时退火”的创新工艺，制备出具有宏观-晶粒-纳米跨尺度异构材料。材料内部形成梯度再结晶分布：高应变中心区域含13.3-18.1%再结晶晶粒与密集位错，低应变次中心区域再结晶比例为11.6-14.5%。在塑性变形过程中，不同样品位置和各位置的再结晶、未再结晶区依次激活塑性变形机制，促进应变在宏观样品和晶粒尺度的连续传递，有效抑制了局部颈缩和塑性失稳。与此同时，持续激活的位错滑移、层错、孪晶和双向相变，使材料在呈现高屈服强度（880 MPa）的同时，仍保持36%的断裂延伸率。
图1 “三轴循环压缩+块体短时退火”工艺示意图和材料不同位置的KAM图
图2 跨尺度异构Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀合金的拉伸力学性能和样品中线位置的显微硬度分布
“多重异构体心立方合金的协同形变强韧化策略”研究成果，设计并制备出一种具有独特多重异质结构的Fe69.4Mn10Co10Cr10N0.6 (at.%)体心立方 合金，通过激活协同形变机制实现了优异的强塑性匹配。该合金主要包含由层状排列的亚微米级的超细板条晶组成的微米级块状α′-马氏体区、亚微米级超细铁素体板条区、亚微米级α′-马氏体和铁素体双相混合区以及位于二者相界面处或铁素体晶粒内部的富Cr和N的纳米析出相。这种由铁素体和α′-马氏体组成的层状异质结构是通过温轧、临界区退火和冷轧处理得到的，之后在回火及水淬过程中先后发生的奥氏体逆转变和马氏体转变导致显著的几何必需位错形成。上述独特的多重异质结构不仅贡献于合金由非均匀形变诱导的强化和硬化，而且增强了动态应变时效硬化，使经300 °C回火后的材料在室温拉伸试验中表现出优异的屈服强度 (1423 MP)和均匀延伸率 (10%)组合。高屈服强度主要来源于密度高达1015 m-2数量级的位错。形变过程中可动位错的滑移和位错胞形成促进了均匀塑性变形。
图3 异构Fe69.4Mn10Co10Cr10N0.6合金的微结构特征
图4 均匀和异质结构Fe69.4Mn10Co10Cr10N0.6合金的拉伸力学性能、拉伸过程中的HDI应力演化和形变微观结构
两项研究从异构组织设计、强化机制解析到性能调控，系统性地推动了FeMnCoCr系高熵合金强韧化领域的发展，相关成果为高端装备关键部件的材料设计提供了理论支撑。
