Nature子刊突破性成果！中熵合金在-196°C實現(xiàn)2GPa屈服、22%延伸率！

在液氫儲罐、核聚變磁體、深空探測器等極端低溫裝備中，結(jié)構(gòu)材料面臨一個近乎“不可能”的挑戰(zhàn)：屈服強度突破2 GPa，同時還要保持足夠的塑性（大于20%）以避免突然斷裂。傳統(tǒng)2 GPa級合金（如冷加工MP35N）在-196°C下強度可達1.8-2.2 GPa，但均勻延伸率通常不足5%，幾乎“一拉就斷”。近年來火熱的高熵/中熵合金雖低溫韌性優(yōu)異，但屈服強度大多在1.5 GPa以下徘徊。有沒有一種設(shè)計，能讓合金在2 GPa級強度下依然保持20%以上的均勻延伸率？

近日，香港理工大學(xué)陳子斌教授團隊聯(lián)合西安交通大學(xué)張金鈺教授，在Nature Communications上報道了一項突破性成果Hierarchical nano-orderings enable extraordinary cryogenic strength-ductility synergy in a medium-entropy alloy。他們借助增材制造（3D打印）結(jié)合精準(zhǔn)后處理，在NiCoCr-AlTa中熵合金中構(gòu)建出分級納米有序化（HNO）結(jié)構(gòu)——從原子尺度的局域化學(xué)有序（~0.7 nm）、納米尺度的雙峰L1?共格沉淀相（5 nm和26 nm），到約70 nm的非共格σ相，形成了跨越三個數(shù)量級尺寸的“有序家族”。這種精心設(shè)計的“應(yīng)力接力”系統(tǒng)，在變形時依次激活不同尺度的位錯源，并讓位錯與各級有序結(jié)構(gòu)發(fā)生豐富的交互作用，從而同時實現(xiàn)了約1.96 GPa屈服強度、約2.35 GPa抗拉強度和約22%均勻延伸率的優(yōu)異組合，刷新了2 GPa級合金的低溫塑性紀(jì)錄。

第一作者：張東東。通訊作者：張金鈺教授；陳子斌教授

01傳統(tǒng)困局：2 GPa強度與塑性“水火不容”

提升強度的手段（細晶、沉淀、固溶、位錯）往往犧牲應(yīng)變硬化能力——位錯一旦啟動便迅速耗盡，加工硬化率急劇下降，導(dǎo)致過早頸縮。在超細晶（UFG）合金中這一問題尤為突出：位錯儲存空間有限，通常呈現(xiàn)呂德斯帶或鋸齒流變，塑性極低（如NiCoV MEA屈服強度2.1 GPa但延伸率僅個位數(shù)）。如何在高強度下維持高且穩(wěn)定的加工硬化率，是2 GPa級合金設(shè)計的核心難題。

02設(shè)計原理：Eshelby理論指引的“應(yīng)力階梯”

研究團隊借助經(jīng)典Eshelby夾雜理論，提出了一個關(guān)鍵設(shè)計準(zhǔn)則：彈性應(yīng)變能與有序化區(qū)域的尺寸三次方和錯配度平方成正比（W ∝ r3δ2）。這意味著，通過設(shè)計不同尺寸和不同界面錯配的納米有序結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)階梯式遞增的彈性應(yīng)變能——從局域化學(xué)有序（最小，錯配極低）、細L1?、粗L1?，到σ相（最大錯配），每一級都能在特定應(yīng)力水平下觸發(fā)位錯形核，從而在寬應(yīng)變范圍內(nèi)持續(xù)提供“新鮮”位錯。具體而言，σ相的錯配度高達93.6%（因其晶格常數(shù)與基體差異巨大），粗L1?約0.69%，細L1?約0.19%，LCO僅0.06%。這種定量化的能量階梯，使得形核位錯所需的臨界應(yīng)力從低到高依次分布，避免了單一尺寸沉淀相“一次性耗盡”的問題。

增材制造在其中扮演了不可替代的角色：極快的冷卻速度（103-10? K/s）帶來了Ta元素在微觀尺度上的不均勻分布，這種化學(xué)異質(zhì)性在后續(xù)熱處理中分別驅(qū)動了σ相（Ta富集區(qū)）、雙峰L1?（Ta中等富集區(qū)）和高度畸變的局域化學(xué)有序（原子尺度Ta團簇）的形成。這種非平衡結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)鑄錠中無法實現(xiàn)——鑄態(tài)樣品僅能形成粗大的Laves相和單一尺寸L1?，導(dǎo)致強度和塑性均大幅遜色。

03微觀結(jié)構(gòu)：跨越三個數(shù)量級的“有序家族”

HNO結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特性：

• 相：平均直徑約70 nm，數(shù)密度6.3×101? m?3，與基體非共格界面，錯配度高達93.6%，Ta強烈富集。這些納米顆粒沿晶界和晶內(nèi)均勻分布，同時通過Zener釘扎效應(yīng)有效抑制晶粒長大，幫助獲得平均0.76 μm的超細晶組織。
• 雙峰L1?：粗L1?約26 nm（數(shù)密度2.2×1022 m?3），細L1?約5 nm（數(shù)密度3.9×102? m?3），均與基體共格，粗L1?錯配度0.69%，細L1?錯配度0.19%。這種雙峰分布源于增材制造中Ta的非均勻分布——Ta濃度高的區(qū)域形成大尺寸L1?，低濃度區(qū)域形成小尺寸L1?。
• 局域化學(xué)有序（LCO）：平均尺寸約0.66 nm，數(shù)密度高達2.6×102? m?3，由Ta富集原子團簇構(gòu)成，錯配度僅0.06%——這與普通LCO（如NiCoCr中幾乎無畸變）截然不同。這種畸變來源于Ni-Ta強負混合焓（-29 kJ/mol），即使Ta原子被“拖”入基體仍保持短程聚集，產(chǎn)生強烈的彈性應(yīng)變場。

這些有序化特征均勻分布在平均晶粒尺寸約0.76 μm的超細晶基體中，形成了一種“原子-納米-亞微米”多級復(fù)合結(jié)構(gòu)，其尺寸跨越三個數(shù)量級、數(shù)密度跨越六個數(shù)量級。

Fig.1. 層次納米有序結(jié)構(gòu)

04性能突破：2GPa屈服強度+22%均勻延伸率

• 屈服強度：約1.96 GPa；抗拉強度：約2.35 GPa；均勻延伸率：約22%；強塑積：約52 GPa%。

與鑄態(tài)+同熱處理樣品相比（屈服1.54 GPa，延伸僅14%），HNO樣品的屈服強度提升27%，延伸率提升57%。更為關(guān)鍵的是，該合金在-196°C下表現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)變硬化，加工硬化率在寬應(yīng)變范圍內(nèi)維持在2.8 GPa以上（初始達5.0 GPa），遠超大多數(shù)2 GPa級合金（后者往往快速下降甚至出現(xiàn)負硬化）。其強度-塑性組合在所有已報道低溫結(jié)構(gòu)材料中處于領(lǐng)先地位，甚至超越了近期報道的最佳高熵合金。此外，斷裂韌性也達到78.3 MPa·m1/2，對于2 GPa級合金而言極為難得。

Fig. 2 優(yōu)異低溫力學(xué)性能.

05機制解密：三重復(fù)合功能

（1）次序位錯源（圖4）根據(jù)Eshelby理論，σ相（錯配度93.6%，尺寸最大）產(chǎn)生最高的彈性應(yīng)變能，因此在低應(yīng)變下率先發(fā)射位錯；隨后粗L1?（錯配0.69%）、細L1?（0.19%）、LCO（0.06%）依次激活。實驗證實在小應(yīng)變（3%）時位錯優(yōu)先出現(xiàn)在σ/基體界面，中應(yīng)變（9%）時L1?界面開始大量產(chǎn)生位錯，大應(yīng)變（22%）時LCO區(qū)域也出現(xiàn)位錯活動。這種“接力式”源機制確保整個變形過程中位錯供給不斷，且分布均勻。

（2）協(xié)同應(yīng)變硬化（圖5）

• 非共格相：充當(dāng)不可穿透障礙，位錯在其周圍塞積，有效儲存位錯。70 nm的細小尺寸既提供了高效位錯存儲（根據(jù)公式dρ/dε ∝ (6f/π)^{2/3}/d，顆粒越小存儲效率越高），又避免了微米級硬顆粒常見的開裂或脫粘。
• 雙峰L1?：被位錯/層錯反復(fù)剪切，在有序結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生反相疇界（APB）和復(fù)雜層錯（如超晶格內(nèi)稟層錯SISF）。這些殘余缺陷的能壘比普通缺陷更強烈地阻礙后續(xù)位錯，且雙峰尺寸分布使剪切能在寬應(yīng)變范圍持續(xù)進行。尤其重要的是，在多滑移系剪切下，L1?內(nèi)部還形成了Lomer-Cottrell鎖，這種“鎖在有序相內(nèi)”的結(jié)構(gòu)比無序基體中的鎖更穩(wěn)定，進一步增強了硬化。
• 畸變LCO：MD模擬顯示，在含LCO的NiCoCr中，位錯線呈現(xiàn)波浪形、分段式前進，而非純Cu中的平直滑移。這是因為LCO引起局域晶格畸變、Peierls應(yīng)力波動和層錯能變化，位錯必須在“起伏的能量景觀”中逐段脫釘，這種遲滯運動大幅增加了位錯糾纏和鎖住概率。由于本合金中Ta原子尺寸更大（比Ni大15%），畸變強度遠超普通LCO，因此此效應(yīng)更為顯著。

（3）均勻塑性流動抑制局部損傷得益于上述位錯源的廣泛分布和有序結(jié)構(gòu)的協(xié)同硬化，塑性應(yīng)變在整個變形體積內(nèi)均勻分布，避免了剪切帶或應(yīng)變局域化。

Fig. 3. 次序位錯源激活助力位錯持續(xù)增殖

Fig.4. 多重位錯-有序體交互作用助力多機制加工硬化協(xié)同.

06總結(jié)：增材制造+精準(zhǔn)熱處理開辟新范式

新結(jié)構(gòu)：通過增材制造固有的化學(xué)異質(zhì)性，結(jié)合后處理，構(gòu)建了從原子到納米尺度、跨越三個數(shù)量級尺寸和六個數(shù)量級數(shù)密度的分級納米有序化。

新機制：基于Eshelby理論，不同尺寸和錯配的有序化區(qū)域形成階梯式彈性應(yīng)變能，實現(xiàn)位錯源的順序激活和協(xié)同硬化——這是首次將Eshelby理論定量應(yīng)用于多級有序結(jié)構(gòu)設(shè)計。

新性能：在-196°C下實現(xiàn)2 GPa級屈服強度+22%均勻延伸率，打破2 GPa級合金塑性不足的魔咒，綜合性能超越所有報道的低溫結(jié)構(gòu)材料。

新制造：提出一種將增材制造“非平衡優(yōu)勢”與傳統(tǒng)熱處理“穩(wěn)定性調(diào)控”相結(jié)合的混合制造策略，為高性能極端環(huán)境材料的設(shè)計提供了可擴展的工業(yè)路徑。更重要的是，該策略將增材制造從“成形工具”升級為“微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計工具”，大大拓展了3D打印在材料科學(xué)中的價值邊界。

該研究不僅解決了2 GPa級合金的塑性瓶頸，更揭示了通過“有序家族”的分級設(shè)計，讓不同尺度的有序化各司其職——大尺度負責(zé)啟動，小尺度負責(zé)持續(xù)硬化，這種多級協(xié)同思路可推廣至其他體系。

香港理工大學(xué)陳子斌課題組誠招博士生及博士后(2027)

陳子斌教授隸屬于香港理工大學(xué)（The Hong Kong Polytechnic University）工業(yè)及系統(tǒng)工程學(xué)系（Department of Industrial Systems Engineering）

研究方向：（1）3D 打印金屬材料的強韌化；（2）新型鐵電材料的性能與機理；（3）人工智能與材料開發(fā)。

課題組介紹：目前課題組主要從事原位電子顯微學(xué)表征技術(shù)研究，增材制造（3D打印）金屬合金的研究，以及新型鐵電材料的研究；相關(guān)成果發(fā)表在 Nature, Science, Nature Materials, Nature Communications, Science Advances, Physical Review Letters, Acta Materialia 等期刊。

關(guān)于香港理工大學(xué)：在最新的2026年QS全球最好大學(xué)排名第54位， 2025年US NEWS學(xué)科排名中工程類排名第6位。擁有設(shè)備完善的3D打印中心，超過10臺3D打印設(shè)備，包括SLM，EBM以及其他3D打印機.擁有全新的雙球差矯正（掃描）透射電子顯微鏡，里面包括monochromator（單色器）, super X EDS, BF, DF, HAADF, DPC detectors, EELS+K3。

博士研究生:

提供全額獎學(xué)金（HK$19,000/月，3年）；

入學(xué)時間：2027年1月，5月，9月均可；

要求：本科畢業(yè)于全球排名前500的國際知名高校；

擁有結(jié)構(gòu)或者功能材料，機械，冶金，物理等相關(guān)領(lǐng)域的碩士學(xué)位，或同等學(xué)歷；本科及碩士期間在JCR一區(qū)期刊以第一作者發(fā)表1篇或以上論文；

優(yōu)先考慮擁有材料設(shè)計與生長，材料處理與加工，性能與結(jié)構(gòu)表征相關(guān)經(jīng)驗的候選人；優(yōu)先考慮掌握光學(xué)顯微鏡（OM），掃描電鏡（SEM），透射電鏡（TEM），聚焦離子束（FIB），X 射線衍射（XRD），原位技術(shù)（In-situ），增材制造工藝（AM）的候選人；優(yōu)先考慮有論文發(fā)表和出版經(jīng)歷，國內(nèi)外專利的候選人；

英語要求：未獲得英語教學(xué)語言學(xué)位的申請人，雅思（IELTS）種取得總分至少6.5 分以及各項不低于 5.5 分；托福（TOEFL）550 分（Paper-based）以上或者80 分（Internet-based）以上。

博士后研究員:

HK$27,000-30,000/月；2年合同，合同可以延續(xù)（根據(jù)工作進展與表現(xiàn)）；全職（35小時每周）

要求：博士畢業(yè)于知名高校, 具有材料科學(xué)與工程或相關(guān)專業(yè)的博士學(xué)位；過去在JCR一區(qū)期刊以第一作者發(fā)表4篇或以上論文；發(fā)表期刊特別優(yōu)秀者可減免文章數(shù)量要求; 在3D打印，鐵電材料，或者電子顯微學(xué)相關(guān)領(lǐng)域具有較強的研究背景；具有獨立完成課題與指導(dǎo)碩士生，博士生的能力。

申請方式：

如有興趣，請將個人簡歷及代表性成果通過電子郵件發(fā)送郵箱: zi-bin.chen@polyu.edu.hk

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

近期學(xué)術(shù)會議推薦

歡迎留言，分享觀點。點亮?