传统强化方法可以将材料的屈服强度提高至10⁹帕（GPa）水平。然而，强度的大幅提升通常伴随着拉伸塑性的大幅降低。对金属而言，其原因是在高流变应力下拉伸时极易发生严重的变形局域化，使得塑性变形失去稳定性。只有当加工硬化率（应力—应变曲线的斜率）足够高时（当流变应力为GPa时，应变硬化率也需维持在GPa），金属才能保持稳定的均匀拉伸变形。然而，强化后的合金加工硬化率通常不升反降，一般跟不上提高了的流变应力。因此，合金极难既有GPa级屈服强度、又有与单质金属媲美的大延伸率，难以做到“鱼和熊掌兼得”。

多主元合金为攻克上述科学/工程难题提供了新的机遇。多主元合金是以高构型熵为设计理念的一类金属，通常由3种以上的元素以接近等原子比混合组成，又称为高熵合金（High-entropy alloys, HEAs）。高熵合金一开始时曾被认为是各组元元素随机占位的固溶体。最近几年，复杂的实验表征和模拟计算表明， HEA的高浓度组分带来了传统固溶体不具备的新特征——从亚纳米到约十纳米尺度上的化学不均匀性。

近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室马恩教授和刘畅教授对高熵合金中这种非常规的化学不均匀性进行了全面的阐述。该工作以“Chemical inhomogeneities in high-entropy alloys help mitigate the strength-ductility trade-off”为题发表在国际材料顶级综述期刊Progress in Materials Science （IF=37.4）。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心(CAID) 为论文唯一单位。该研究得到了国家自然科学基金委及国家青年人才计划的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101252

该综述介绍了高熵合金中几种典型的化学不均匀性，包括化学成分起伏、局域化学序以及丰富的“界面”。不同于传统浇铸合金内存在微米到更大尺度的偏析和不均匀，HEA在微米尺度上看是均匀混合的溶体，但在纳米尺度上却像“鸡尾酒”。这种纳米尺度上的化学不均匀性是浓固溶体的本征特性，且对合金的强塑性具有重要作用。在强度方面，化学不均匀性为位错运动制造了复杂的环境：位错需要穿过不同组分、不同化学有序度的纳米级局部区域，因而位错的能量“因地而异”。由此造成的能量对空间距离的一阶导数不为零，表示位错线受到额外阻力，会倾向于在低能量处停滞，导致其间歇式、波浪状地向前运动，此种类型的位错运动需要更高的驱动应力。这一独特的位错运动方式可以用纳米位错段脱捕（nanoscale segment detrapping）机制来描述。与此同时，在加工硬化方面，显著减缓乃至不时停滞的位错运动会促进位错的相遇、反应、缠结和塞积。大量局部区域的低层错能也使得在拉伸变形过程中很容易产生层错、孪晶、相变层等，动态细化了微观组织。

这几项缺陷的累积，可有效地阻碍后续位错的运动，使材料在高流变应力下仍保持足够高的加工硬化率，从而抑制应变局域化（塑性失稳），延长均匀拉伸塑性和总延伸率。以上见解，可以解释图1中总结的最新数据：高熵合金带来了许多“又强又塑”的新金属材料，并正向着“既有高强度合金的GPa级屈服强度、又有可与单质金属媲美的大延伸率”（即图中右上角）的方向扩展。本综述提出的纳米尺度化学不均匀性策略，对如何解决金属材料 “强度—塑性相互掣肘”这一公认难题，提供了新的思路。

图1 金属合金的拉伸屈服强度 versus 均匀延伸率（a）和断裂延伸率（b）：浅蓝色区代表传统金属；粉红色区域代表纳米异构金属；黄色区中的高熵合金（不同颜色代表不同晶体结构的HEAs）带来了许多“又强又塑”的新金属材料，并表现出向着图中右上角方向铺展的明显趋势。而右上角方向代表着人们长期以来追求的目标：“既有高强度合金具有的GPa级屈服强度、又有与单质金属媲美的大（~50%量级）延伸率”。