材料的强度和韧性对于确保构件的安全服役至关重要，但这两者往往存在相互制约的关系。多主元合金因其独特的组元设计和优越的力学性能，近年来成为材料科学领域的研究热点。为了解决这种权衡问题，自然界无疑是最好的导师。天然生物材料在常温下能够形成复杂且精妙的多尺度组织结构，其优异的力学性能为金属材料的强韧化设计提供了重要启示。然而，传统金属材料的优异性能通常依赖于多步骤的冷加工或热加工处理，而这种复杂的工艺在铸造合金中难以实现。

为应对这一挑战，山东大学机电与信息工程学院宋凯凯教授、南京理工大学讲师寇宗德博士、中国科学院金属研究所刘增乾教授、山东大学材料科学与工程学院胡丽娜教授联合攻关，通过从自然界中汲取灵感，设计出了一种新型铸态多主元合金。该合金在不需要复杂的热处理和冷/热加工的条件下，成功实现了高强度和高塑性的完美结合，打破了铸造合金性能的瓶颈，开辟了新型铸态多主元合金研发的新方向。这一研究成果以“Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure”为题，发表在材料领域顶刊《Materials Today》（影响因子21.1）上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.009

这项研究通过热力学参数和相图计算（见图1），成功确定了(CrFeNi)_100-x-yAl_xTi_y(at.%)多主元合金体系的相形成区域，并设计和制备出具有复杂多级异质结构的Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅铸态多主元合金。如图2所示，其结构特征为微米级的BCC晶粒分布在连续的FCC结构框架中，FCC基体内形成了L1₂型有序纳米析出相，而BCC晶粒内部则析出了亚微米级的核-壳结构的相以及η相和B2相等纳米级析出相。

图1：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅多主元合金的成分设计及相分析

图2：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅铸态多主元合金的多级异质结构

如图3所示，该合金在拉伸性能方面表现出优异的强度与塑性组合，具有约1175 MPa的屈服强度、约1621 MPa的抗拉强度和约15%的延伸率，其拉伸屈服强度是铸态CrFeNi多主元合金的七倍。在变形过程中，这些多级析出相通过复杂的协同作用，诱导出大规模的位错网络和层错结构（图4），使材料在高应变硬化行为下仍具备优异的强度和塑性。此外，随着塑性变形的进行，软硬区域之间的应变梯度增加，从而在多个尺度上产生局部应变梯度。这种应变梯度的调节需要位错储存，并产生长程背应力，阻碍位错在FCC基体中的运动，直至BCC相开始屈服。这种背应力硬化效应与传统的位错硬化行为叠加，不仅通过阻止变形不稳定性来增强合金强度，也在提升韧性方面发挥重要作用。该合金的显著特点是无需经过复杂的多步骤热处理或冷/热加工即可获得优异的性能表现。该项研究针对其凝固过程也进行了详细的研究（如图5），全面分析了合金在凝固过程中的微观结构演变过程，尤其是L1₂、核-壳结构的相、η相和B2相等多级析出相的形成过程，为深入理解优化多主元合金的设计和制备工艺提供了理论基础。相较于传统的锻造合金，这种新型的铸态多主元合金以更为简便的制造工艺实现了高性能的突破，展示了铸造工艺在先进材料开发中的巨大潜力。

图3：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅铸态多主元合金与其他合金的拉伸性能对比

图4：Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅铸态多主元合金断裂后不同尺度微观组织的分析

图5：铸态多主元合金中多级异质结构的演化和力学作用示意图

该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和辽宁省杰出青年基金等多个项目的资助。这些支持为研究的深入开展和取得重要成果提供了重要保障。