在结构金属材料的应用环境中，强度和塑性都是决定某一种合金体系应用场景的重要参考性能，在体系优化的策略上也往往注重于提高合金的这两种性能，但在很多情况下，在优化材料力学性能时要面临“强-塑”权衡，尤其是在屈服强度超过1.5GPa时，由于位错累积受限，往往导致塑性不稳定和早期失效。传统通过形变孪生（TWIP效应）提升加工硬化的策略，通常局限于低层错能材料，而其屈服强度难以超过1GPa；而高强析出强化材料的高层错能又会抑制孪生形成。因此，研究人员们一直在追求如何实现当合金实现超高强度的同时获得优异的加工硬化能力和塑性。

2025年7月14日，中科院金属所联合香港理工大学研究团队，在《Advanced Science》期刊在线发表题为“Ultrahigh Strength and Exceptional Work Hardening in a Hierarchical‐Structured Alloy via Hetero‐Interface‐Mediated Twinning”的最新研究成果。团队设计了一种层级异质结构合金，实现了屈服强度>1.5GPa、抗拉强度2.2GPa、均匀延伸率20%的性能组合，同时具备高达6GPa的超高加工硬化速率，突破了高强与高硬化能力难以兼得的瓶颈，为先进结构材料设计提供了新思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202509584

【核心内容】

研究团队得到核心设计策略是在合金内部构建分级异质双相结构（HHDP），研究的基体材料为面心立方的Ni₃₈Co₂₅Fe₁₃Cr₁₀Al₇Ti₇高熵合金。团队通过在粗晶区内引入高密度的L12纳米析出相，同时在晶界区域构筑FCC与L12的超细晶带，这样的微观结构设计特别之处在于，粗晶区能够为材料提供具有高强度的基体，而超细晶带及其与粗晶区之间的异质界面在拉伸过程中产生应变梯度，诱发原本在高层错能材料中难以发生的界面调控形变孪生，这种独特机制赋予材料超高加工硬化能力，从而在高强度下保持塑性稳定性。

【研究方法】

团队设计的具有HHDP结构的Ni₃₈Co₂₅Fe₁₃Cr₁₀Al₇Ti₇（at.%）合金通过电弧熔炼制备，并进行了多次重熔以保证化学均匀性，在1150℃下热处理2h，然后在水中快速淬火，经过冷轧后在1080℃退火90s，得到非均相晶粒组织，最后合金依次在780℃和650℃下分别时效16h和24h。为了进行对比，团队还制备了两种成分与HHDP合金相同但处理工艺不同的样品，一种是在冷轧后在1100℃下退火30min，得到完全再结晶的等轴晶结构（称为“as-solutionized sample”），另一种是在“as-solutionized sample”的基础上，在780 ℃和650 ℃下分别时效16 h和24 h（称为“solutionized and aged sample”）。随后团队利用EBSD、TEM、HAADF-STEM等手段表征微观结构，并结合同步辐射原位拉伸XRD分析孪生演化过程，揭示其变形机制。

【研究成果】

① 层级异质显微组织

HHDP合金由82%粗晶区（平均晶粒6.9μm）与18%项链状分布的超细晶区（平均晶粒242nm）组成。粗晶区均匀分布着尺寸约68nm的L1₂型纳米析出相，超细晶区包含三类结构：无析出物的FCC超细晶、含4nm L1₂纳米析出的FCC超细晶、以及L1₂有序超细晶。

HHDP合金层级异质微结构的多尺度表征与相分布演化

② 卓越的力学性能及其界面诱导孪生机制

HHDP合金屈服强度1.53GPa，抗拉强度2.2GPa，均匀延伸率20%，加工硬化速率峰值6GPa，显著优于对比样与文献报道的高性能合金。原位同步辐射XRD显示，屈服后2%应变即开始出现孪生，并随形变持续演化。虽然FCC基体层错能高达66mJ/m²且临界孪生应力约2.6GPa，但异质界面处的应变梯度与位错塞积产生局部超高应力，促使形变孪生发生。

HHDP合金的力学性能

HHDP合金微观变形行为的原位高能同步辐射XRD研究

③ 孪生促进的高硬化与塑性稳定性

EBSD与TEM观察表明，孪生主要集中在应变梯度区，孪晶厚度约9nm，孪生与位错交互作用显著提升硬化能力；同时，粗晶/超细晶区强度差异产生的反向应力（HDI硬化）和纳米层错网络进一步阻碍位错运动，共同实现高强-高硬化-高延展性的协同。

HHDP合金多尺度微变形机制：从孪晶带演化到位错反应

【总结与展望】

该研究设计的HHDP合金具有独特的分层异质结构，可以激活形变孪晶，增强超高强度合金的加工硬化和塑性，这种独特的结构设计使合金具有1.5GPa的屈服强度和6GPa的加工硬化率，并且合金还拥有20%的均匀延伸率，这种HHDP合金在航空航天，汽车和能源行业等技术应用方面具有巨大的潜力。