价电子浓度调控FeMnCoCr基高熵合金析出行为与拉伸性能的机制研究

为解决FCC结构高熵合金(HEAs)强度不足的瓶颈问题，中国科学院金属研究所团队通过调控(Fe50Mn30Co10Cr10)96?4xNi4xAl2Ti2合金的价电子浓度(VEC)，系统研究了VEC从7.7增至8.3过程中L12/B2/7M析出相的演变规律及其对力学性能的影响。研究发现VEC升高促使析出相从棒状L12向球状转变，并诱发7M马氏体相变，最终使合金在655 MPa屈服强度下仍保持21%均匀延伸率，为设计高强度高塑性HEAs提供了新思路。

　　

在材料科学领域，高熵合金(HEAs)因其独特的成分设计理念成为研究热点。其中面心立方(FCC)结构的HEAs展现出优异的塑性、耐腐蚀性和抗辐照性能，在航空航天、海洋工程等领域具有广阔应用前景。然而这类合金存在一个致命弱点——屈服强度普遍偏低，严重制约其工程应用。传统强化手段如晶粒细化、位错强化等往往以牺牲塑性为代价，如何实现强度与塑性的协同提升成为亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，中国科学院金属研究所的研究团队独辟蹊径，将目光聚焦于析出强化这一经典强化机制。他们选择具有低层错能(6.5 mJ m^?2)的Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀合金作为基体，通过添加Ni、Al、Ti等元素设计出(Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)_96?4xNi_4xAl₂Ti₂（x=3,5,8 at.%）系列合金，系统研究价电子浓度(VEC)从7.7到8.3变化过程中析出行为与力学性能的关联规律。这项突破性研究成果发表在《Journal of Materials Science》上，为开发新一代高性能结构材料提供了重要理论依据。

研究团队采用电弧熔炼制备合金铸锭，通过均匀化处理、热轧和固溶处理获得初始材料。利用透射电镜(TEM)和三维原子探针(3D-APT)表征析出相形貌与成分分布，结合第一性原理计算预测相稳定性。通过室温拉伸测试评估力学性能，并采用电子背散射衍射(EBSD)和原位X射线衍射技术追踪变形过程中的相变行为。

Effect of VEC on precipitation behavior
研究发现VEC的升高显著改变析出相特征：当VEC=7.7时（AT3合金），仅形成不连续的棒状L1₂相和晶界B2相；VEC增至8.0（AT5合金）时出现连续分布的球状L1₂相；而VEC=8.3（AT8合金）时B2相完全转变为7M马氏体，且L1₂相体积分数增加至32.4%。这种演变源于VEC升高降低了L1₂相形成能，促进其形核生长。

Mechanical properties
力学性能测试显示：AT8-650A合金（VEC=8.3）展现出最优综合性能，屈服强度从269 MPa提升至655 MPa，同时保持21%的均匀延伸率。特别值得注意的是，其真应变0.1处的加工硬化率从1944 MPa激增至3456 MPa，这种罕见的"强度-塑性双提升"现象归因于球状L1₂相与7M马氏体的协同作用。

Deformation mechanisms
变形机制分析表明：低VEC合金中位错通过奥罗万(Orowan)机制绕过棒状L1₂相；而高VEC合金中位错可直接切割球状L1₂相，产生更均匀的塑性变形。此外，变形过程中7M马氏体向B2相的转变消耗能量，显著提升加工硬化能力。

这项研究首次揭示了VEC通过调控析出相形态与变形机制的关联规律，建立了"成分-微观结构-性能"的定量关系。特别值得关注的是，研究者创新性地将相变诱导塑性(TRIP)效应与析出强化相结合，在传统认为相互矛盾的强度与塑性之间实现了协同提升。该成果不仅为开发航空发动机叶片、深海装备等极端环境用材料提供了新思路，其提出的VEC调控策略更为多组元合金设计开辟了新途径。正如通讯作者Nan Jia教授指出："这项工作证明通过精准控制电子结构参数，可以像'裁剪衣服'一样定制材料的力学性能，这代表着合金设计理念的重要突破。"