强度与塑性的协同提升一直是结构金属材料设计的核心难题。传统的均质结构材料往往难以在兼顾塑性的同时保持高强度。近年来，多主元合金（MPEA）因其复杂的成分和潜在的多相组织设计自由度而备受关注。然而，在异质结构MPEA中，不同区域的变形协调问题仍未被完全理解。

近日，东北大学申勇峰教授和贾楠教授作为通讯作者，在材料领域的权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》发表了团队的研究成果，论文题为“Multiscale heterostructure and grain rotation promote the coordinated deformation of a multi-principal element alloy”。在该论文的工作中，团队通过异步轧制-退火-时效的多级工艺，成功制备出一种多尺度异质结构的MPEA，该合金在实现1.56GPa的极高抗拉强度的同时仍保持21%的良好延伸率，为解决高强与高塑难以兼得的合金设计难题提供了新思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.07.024

【核心内容】

团队通过异步轧制诱导应变累积、980℃退火获得在硬度上差距较大的双峰晶粒结构，并在720-620℃两阶段的时效中实现了尺寸上的双峰γ’析出相分布（粗大初级γ’≈73nm，细小次级γ’≈16nm），这种多尺度异质结构调控的策略显著提升了合金的强化效果与应变协调能力。

图形摘要

【研究方法】

通过真空感应炉制备铸锭后在1200 ℃的空气炉中均质1h，然后直接进行异步轧制（厚度从4mm降至1.5mm），上辊的轧制速度保持在0.8m/s，下辊与上辊的速度比为1.2。轧制后，合金在空气中冷却至室温。然后，将轧制样品在980℃下退火30min，然后空冷至室温，以获得部分再结晶组织，从而形成双峰晶粒度分布。随后，将进行两个阶段的时效，合金的具体时效工艺为：在720 ℃保温8 h以促进析出物的形核和析出，然后以50℃/h的速度冷却至620℃，保温8 h以保持析出物的纳米级特征，时效前后的样品分别命名为AN和AG。

TEM揭示L1₂型γ’析出相

APT原子尺度揭示双峰析出结构

【研究成果】

① 异质结构与双峰析出协同强化

通过异步轧制与时效，材料形成双峰晶粒分布（12μm与188μm）及双峰γ’析出相分布（16nm与73nm），这一多尺度的异质结构显著增强了合金对位错运动的阻碍效果，屈服强度提高至1290MPa，抗拉强度提高至1560MPa，且仍保持有21%的延伸率，这种强塑性组合优于目前多数已报道的高熵合金或高强钢体系。

退火态（AN）与时效态（AG）样品的取向分布与KAM图

应力-应变与加工硬化曲线

② 异质结构增强异质变形诱发应力（HDI）

独特的微观结构进一步加剧了合金内部不同结构之间的机械性能不匹配，从而进一步激活了HDI强化，LUR循环拉伸实验显示，在变形初期，AG态样品的HDI应力可达653MPa，显著高于退火态（512MPa），当应变在0.05-0.09之间时，AG样品的HDI加工硬化率再次增加，团队将这一现象归因于析出物的贡献。

LUR循环应力曲线及HDI应力变化

③ 原位EBSD揭示晶粒旋转促进协调变形

团队通过原位EBSD表征手段发现，在拉伸过程中，合金内再结晶（RX）区的晶粒先行滑移，非再结晶（NRX）区的变形相对滞后，这就造成了两个区域之间的应力分布会有差异，而界面处的晶粒发生显著旋转，这一过程恰好能够有效释放界面的应力集中，也正因如此，合金不至于因异质结构界面的局部应力应变集中导致提前失效，反而维持着与强度适配的塑性。

原位EBSD-KAM分析

晶粒旋转轨迹分析

④ 多机制协同实现力学平衡

团队发现，随着应变从5%逐渐增加至20%，这一过程汇总合金内部先后激活了多滑移系、Lomer-Cottrell锁、变形孪晶与堆垛层错网络等机制，这些机制协同作用，显著提升了合金的位错累积与应变硬化能力，实现材料高强度与高延展性的平衡。

不同应变下的TEM形貌演化

L-C锁与堆垛层错网络

【总结与展望】

团队通过多尺度异质结构设计与原位变形表征，揭示了晶粒旋转在多主元合金协调变形中的关键作用，该研究为异质结构多主元合金的强塑协同调控提供了新路径，也为航空航天与能源装备领域的高性能结构材料设计提供了重要理论与实验基础。