具有分层异质结构和相变特性的富铁中熵合金，其低温机械性能更为优异

《Materials Science and Engineering: A》：Superior cryogenic mechanical properties of Fe-rich medium-entropy alloy with hierarchical heterostructure and phase transformation

中熵合金低温力学性能|L1?析出相|层级异质结构|直接时效处理|应变硬化|相变诱导塑性|纳米析出相|微米级晶粒|协同强化机制|低成本合金设计

　　在当今科技快速发展的背景下，材料科学领域面临着诸多挑战与机遇。特别是在极端环境下的应用需求日益增长，如航空航天、深海探测、极地研究以及天然气运输等，对材料的性能提出了更高的要求。这些应用场景往往涉及低温、高压、高腐蚀性或高辐射等复杂条件，使得传统材料难以满足性能需求。因此，研究者们不断探索新的材料设计理念，以提升材料在这些严苛条件下的表现。近年来，高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）和中熵合金（Medium-Entropy Alloys, MEAs）因其独特的结构和优异的性能，成为材料科学领域的一个研究热点。这些合金通常由五种或更多种金属元素组成，具有较高的化学复杂度，从而展现出独特的物理和机械特性。

在低温环境下，高熵合金和中熵合金表现出良好的拉伸性能，但这类合金通常需要高浓度的昂贵元素，如镍（Ni）和钴（Co），这在一定程度上限制了其在工业领域的广泛应用。为了克服这一问题，研究者们提出了一种新的策略，即通过设计具有层次结构的异质结构，来提升合金在低温环境下的机械性能。这种异质结构不仅包括纳米尺度的异质析出相，还结合了微尺度的和谐晶粒，从而在材料内部形成复杂的结构特征。通过这种结构设计，可以在不增加昂贵元素含量的情况下，实现材料的高性能表现。这一研究的核心在于如何在有限的Ni含量下，通过结构调控，实现材料的高强度和高延展性。

为了实现这一目标，研究团队对Fe60Ni23.5Cr10Al3Ti3Nb0.5（原子百分比）的中熵合金进行了系统研究。该合金通过真空感应熔炼设备（MC100V）在氩气氛围下制备，使用纯度超过99.9%的金属元素。制备过程中，首先将合金铸造成矩形锭，随后在1200℃下进行6小时的均匀化处理，以消除元素间的偏析并优化微观结构。接下来，通过热轧工艺将合金的厚度从7mm减至1.2mm。这一过程不仅降低了合金的加工硬化程度，还为后续的时效处理创造了条件。研究团队进一步对热轧后的合金进行了直接时效处理，从而诱导出具有层次结构的异质结构。

通过这种异质结构的设计，合金在低温环境下表现出显著的性能提升。首先，这种结构通过两种不同尺度的异质性之间产生的协同强化效应，有效提升了材料的强度和延展性。具体而言，纳米尺度的异质析出相与微尺度的和谐晶粒相结合，形成了一个复杂的结构网络。这种结构网络在变形过程中表现出良好的机械不相容性，从而增强了材料的强化能力。其次，这种异质结构在变形过程中能够引发相变，进一步提高材料的机械性能。相变过程受到化学成分的影响，特别是在析出相形成过程中，元素的分布和浓度变化决定了相变的路径和速率。通过时效处理，纳米层状析出相的形成被有效促进，而这些析出相的形成又与元素在晶界上的分布密切相关。

在低温环境下，这种异质结构能够显著提升材料的性能。首先，通过两种不同尺度的异质性之间的协同作用，材料的强度得到了显著增强。这种协同作用源于微观结构的不相容性，使得材料在承受外力时能够有效抵抗塑性变形。其次，异质结构在变形过程中能够触发相变，从而进一步提高材料的机械性能。这种相变不仅能够增强材料的强度，还能够提升其延展性，使得材料在低温环境下能够实现良好的强度与延展性组合。研究团队通过实验验证了这一策略的有效性，发现该合金在低温环境下表现出极高的屈服强度和抗拉强度，同时具有良好的延展性。

此外，这种异质结构的设计还能够有效降低合金的成本。由于传统的高熵合金和中熵合金往往需要高浓度的昂贵元素，如Ni和Co，这使得它们在实际应用中面临较高的经济压力。而通过调整元素的组成和分布，研究团队成功地在有限的Ni含量下实现了材料的高性能表现。这不仅降低了合金的制造成本，还提高了其在工业领域的应用可行性。因此，这种异质结构的设计策略具有重要的实际意义。

在研究过程中，研究团队还关注了合金的微观结构演变。通过热力学计算软件Thermo-Calc，结合TCFE2000数据库及其更新版本，研究团队分析了合金的相图。结果表明，该合金在时效处理后，析出相的含量相对较低，仅为11.8%。这说明在高Fe含量的情况下，析出相的形成受到一定的限制。然而，通过时效处理，析出相的形成得到了有效促进，使得材料的性能得到了显著提升。X射线衍射（XRD）分析进一步证实了这一点，结果显示时效处理后的样品主要表现出FCC和L12相的特征峰。

研究团队还通过电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术，对合金的微观结构进行了详细分析。结果显示，时效处理后的样品在微尺度上形成了双峰晶粒结构，而在纳米尺度上则形成了异质析出相分布。这种双尺度的结构特征使得材料在低温环境下能够实现良好的性能表现。通过这种结构设计，材料不仅能够在低温下保持较高的强度，还能够展现出良好的延展性，从而满足实际应用的需求。

综上所述，该研究通过设计具有层次结构的异质结构，成功提升了Fe60Ni23.5Cr10Al3Ti3Nb0.5中熵合金在低温环境下的机械性能。这种结构设计不仅降低了合金的成本，还提高了其在工业领域的应用可行性。研究团队通过实验验证了这一策略的有效性，发现该合金在低温环境下表现出极高的屈服强度和抗拉强度，同时具有良好的延展性。这一研究为未来在极端环境下应用的高性能合金设计提供了新的思路和方法，具有重要的理论和实际意义。