以Fe、Cr 和 Ni 元素为主成分的铁基不锈钢已广泛用作汽车、建筑和核电工业等许多领域的工程材料，比如，2022 年全球不锈钢和耐热钢产量高达 5525.5万吨。然而，不锈钢室温下强度-塑性难以兼顾，且高温强度低、抗蠕变阻力低。高温合金可承受部件的高工作温度和应力，在许多领域被广泛使用。但是高温合金含有大量昂贵的元素，如 Ni、Co、Ta 和 Mo，导致生产成本非常高。一些元素(如 Re 和 Ru)被添加到高温合金中，以提高蠕变强度。然而，这些元素的添加进一步提高了高温合金的密度和成本。

自2004年以来，高熵合金(HEA)及中熵合金(MEA)的出现代表了一种非常规的概念和方法；它们已被证明是最有前途的结构合金之一，具有强度-塑性协同作用和/或优异的高温性能。尽管如此，这些合金仍然摆脱不了昂贵元素含量高的困境，如 Co、V、Hf 和 Ta，其中Co的使用最为频繁。开发高性能、低成本、无Co的 HEA及MEA 具有重要意义。然而，适合工业应用的低成本的铁基HEA或MEA尚未得到充分的开发。这一事实应是目前整个HEA及MEA领域必须认真面对的严峻挑战。

针对上述挑战，燕山大学的沈同德教授团队与田纳西大学Peter K. Liaw教授团队、美国橡树岭国家实验室Ke An教授、北京科技大学吴渊教授团队合作，借助于热力学方法计算，开发出一种新型中熵不锈钢(MESS)：Fe₄₇Cr₁₆Ni₂₆Ti₆Al₅(原子百分比，at. %)。通过调节合金系统的构型熵来调整合金成分和Ti/Al比，以诱导这种新开发的无Co合金中形成具有低错配度的 L1₂析出相(以最大限度地减少粗化)。该MESS在室温下具有1.35 GPa的高抗拉强度和36%的总延伸率，强塑积高达50 GPa %。具有延展性的L1₂纳米析出相与变形亚结构的动态细化共同作用，产生了出色的加工硬化能力。此外，该MESS在700 ^oC时仍能保持800 MPa的高屈服强度，不仅优于许多铁基高温合金和不锈钢，而且可以与一些镍基高温合金相媲美。750 ^oC下的稳态蠕变速率比某些镍基高温合金和耐热钢至少低两个数量级。出色的抗蠕变性能是通过滑动位错和稳定的L1₂纳米析出相之间的强相互作用实现的，这有效地阻碍了位错的移动。相关研究论文于2024年7月25日在线发表于国际知名学术期刊Matter (Cell姊妹刊，影响因子17.3).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.06.041

燕山大学为论文第一单位，燕山大学博士生温康康和香港大学博士后蔡学成、燕山大学辛圣炜副教授为共同第一作者，通讯作者为燕山大学孙宝茹教授、美国田纳西大学Peter K. Liaw教授和燕山大学沈同德教授。研究工作得到了国家自然科学基金和河北省自然科学基金项目的资助。

图1表明了MESS的基本微观结构，其是由平均晶粒尺寸为70 μm的均匀等轴晶基体和与基体共格(错配度~0.12%)的平均粒径为14 nm、体积分数为17%的L1₂纳米析出相组成。三维原子探针表明基体和纳米析出相具有多组分特征，其成分分别为Fe_55.6Ni_16.9Cr_20.7Al_2.8Ti_4.0和Ni_66.0Fe_7.4Cr_1.3Al_8.8Ti1_6.5(at. %)。

图1. MESS 的概念设计和微观结构特征 (A) 800^oC时，MESS在Fe-Cr-Ni相图中的位置，属于不锈钢的成分范围。(B) 具有等轴晶粒的MESS的EBSD图像。(C) MESS的DF-TEM图像显示高密度纳米析出相。插图中的 SAED 图案验证了析出相的L1₂结构。(D) FCC基体晶粒和 L1₂ 纳米析出相平均尺寸的统计分布(d表示平均尺寸)。(E) 高分辨率STEM图像表明FCC基体/L1₂ 析出相的界面共格性（Z.A.表示带轴）。(F) 使用3D-APT从 MESS收集的代表性原子图，显示每个元素的分布。Fe和 Cr在基质中富集，而Ni、Al和Ti在NPs中富集。60 at. % Ni 和 22 at. % Cr 等浓度表面的3D重建呈现了有序 L1₂ 纳米析出相和FCC基体的形态。(G)一维浓度分布显示从基体到析出相的元素分布。

图2表明MESS在宽温域范围内具有良好的强度-塑性综合性能。室温时，MESS具有0.9 GPa的屈服强度、1.35 GPa的抗拉强度和36%的总延伸率。在如此高的σ_y下，MESS仍然表现出很强的应变硬化能力(σ_u-σ_y > 400 MPa，σ_y /σ_u < 0.7)。同时，在600 ^oC和700 ^oC下的σ_y仍然高达808 MPa和802 MPa。

图2. MESS 的出色强度-延展性组合。(A) 不同温度下的单轴工程拉伸应力-应变曲线。RT代表室温。(B) 应变硬化率与真应变。与真应力-应变曲线的交点用箭头标记，以指示颈缩不稳定性开始。(C) RT 拉伸试验期间 MESS 的应变场分布(区域：5.2 ´ 2.2 mm²)。显示不同宏观应变下沿加载方向的微应变演变：3% (1)、10% (2)、23% (3)、30% (4)和36% (5)。(D) MESS的屈服强度(σ_y)、抗拉强度(σ_u)和伸长率随测试温度的变化；数据误差线表示三个独立测量的标准偏差。

图3表明了MESS在室温下的变形机理。不同应变段的变形亚结构表明MESS的应变硬化或流动应力的增加应该是由相邻滑移带之间的长程弹性相互作用主导，其中应力场由规则排列的位错产生。因此，滑移带细化主要解释了MESS 的高应变硬化率和高均匀延展性；即滑移带细化诱导塑性效应。并且位错在二次非共面滑移系上的活动有限。值得注意的是，这些纳米析出相的共格界面和纳米级粒径也有助于MESS的延展性，因为外力可以均匀分散在沉淀物和基体之间的共格界面上，并且应力集中可以大大缓解，有效抑制裂纹的过早形核。

图3. 室温下 MESS 的变形微观结构。(A) 3%应变样品的变形微观结构。晶界上(黄色虚线)发射位错，少量滑移带(白色虚线)以平面位错滑移的形式出现。插图：沿[112]带轴的 SAED 图案。(B) (A)中黄色虚线矩形标记区域的放大视图，显示位错剪切通过L1₂纳米析出相(白色箭头)。(C) (B)中黄色虚线矩形标记区域的特写视图，显示{111}滑移系统上的堆垛层错 (白色虚线)。插图：带有芒线条纹(黄色箭头)的FFT图像，证实了堆垛层错的存在。(D) 在10%应变下激活更多{111}滑移带(白色虚线)。插图：沿[011]带轴轴的 SAED图案。(E) (D)中黄色虚线矩形标记区域的特写视图，显示滑移带中位错缠结密度高(黄色箭头)。(F) 高密度{111}滑移系导致在23%应变下形成泰勒晶格(黄色箭头)。插图：[110] 带轴中的SAED图案。(G) (F)中黄色虚线矩形标记区域的特写视图，显示滑移带内形成了较厚的高位错密度带和低位错密度域。在滑移带交叉点附近未观察到位错堆积。(H和I) 断裂MESS的变形微观结构。插图：沿 [101]带轴的SAED图案。在高应变下，形成了高密度位错墙(H)和微带(MB)(I)。滑移轨迹显示MB与{111}滑移面的轨迹平行（白色虚线）。

图4结果充分证明了L1₂ 纳米析出相的强化作用和延展性。室温和 600 ^oC下真实应力下的晶格应变行为表明 L1₂纳米析出相不仅可以强化基体，还可以与其共同变形，这一点可以从 L1₂独特的{210}和{211}衍射峰在屈服后晶格应变大大增加中看出。此外，可以通过检查衍射峰半高宽 (FWHM)与晶面间距(d)之比来评估析出相的塑性变形能力。在这种情况下，L1₂纳米析出相的{210}和{211} 衍射峰的FWHM/d值随真应变的增加而大幅增加，清楚地证明了它们发生塑性变形的能力。

图4. 原位中子衍射结果。(A和B) 室温和 600 ^oC拉伸变形过程中晶格应变与真应力的关系，显示载荷从软基体转移到硬L1₂纳米析出相，反映出析出强化的特征。(C和D) FWHM/d与真实应变的关系，表明多组分L1₂纳米析出相具有延展性；数据误差线表示 hkl 衍射峰单峰拟合的不确定性。

图5表明新开发的 MESS 的屈服强度是传统奥氏体不锈钢的2~4倍，并且强塑积更高。此外，MESS高达50 GPa %的强塑积是强度相当的沉淀硬化不锈钢的4~5倍。与BCC结构不锈钢(铁素体、马氏体和双相)相比，MESS的屈服强度和强塑积高出2~3倍。即使与铁基高温合金和最近报道的无钴铁基和镍基 HEA/MEA相比，MESS 仍然显示出更好的强度-塑性组合。此外，在低于 700 ^oC的温度下几乎观察不到 MESS 的高屈服强度的衰减。在 800 ^oC的高温下， MESS 仍具有~600 MPa的相对较高的屈服强度。这种高屈服强度远远超过大多数铁基高温合金和无钴HEA/MEA，并且与一些含镍或含钴HEA相当。同时，在较高的蠕变应力水平(750 ^oC/300 MPa)下，MESS的稳态蠕变速率为4.89 ´ 10^-7 s^-1 ，比传统镍基高温合金至少低三个数量级，例如 Haynes 282(760 ^oC /290 MPa 时为6.4 ´ 10^-4 s^-1)、Inconel 740(750 ^oC /300 MPa 时为 4.1 ´ 10^-4 s^-1)和 Sanicro 25(750 ^oC /240 MPa 时为 1.46 ´ 10^-3 s^-1)。

图5. MESS与其他合金的力学性能比较。(A) MESS在室温下的屈服强度与强塑积(抗拉强度和延伸率乘积)的关系，与不锈钢、铁基高温合金和一些无钴HEA/MEA 进行比较。(B) MESS的屈服强度随测试温度的变化，与传统不锈钢、铁基高温合金和一些HEA/MEA进行比较。当然，还有一些先进的镍基高温合金和不锈钢，由于难以实现大规模工业生产(例如，增材制造、高压扭转和液氮冷轧所得合金)，因此没有显示出来进行比较。一些含钴或镍基HEA/MEA(Inconel 718和单晶高温合金)由于原材料成本极高，因此没有显示出来进行比较。(C) 在750 ^oC时，不同施加应力下MESS的蠕变应变-时间曲线；箭头表示样品在蠕变试验过程中没有断裂。(D) MESS与一些传统镍基高温合金和耐热钢的蠕变速率-施加应力曲线的对比。

总结:该项研究开发了一种新型 MESS，它可以通过传统的铸造和热机械处理技术轻松制造，在很宽的温度范围内具有出色的强度和塑性匹配，并且具有出色的高温强度和抗蠕变性能。其材料设计原理有潜力制造出具有出色机械性能且具有成本效益的工程 MESS，有望部分替代广泛使用的强度-塑性不匹配的传统不锈钢和高成本镍基高温合金。