FeNiCoCr基高熵合金通过降低层错能与半共格沉淀协同增强强度的创新研究

为解决高熵合金(HEAs)强度不足的瓶颈问题，研究人员通过调控Fe含量和Si掺杂设计出Fe1.5NiCoCrSi0.5新型合金，实现层错能(SFE)降低至55 mJ/m2并形成半共格沉淀相(SCPs)，使屈服强度(σy)达345.6 MPa、抗拉强度(σu)达649.1 MPa且保持37.6%延伸率，为结构材料强度-塑性协同提升提供新范式。

　　

在材料科学领域，高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)因其独特的"鸡尾酒效应"成为研究热点。传统HEAs虽具有优异的塑性，但强度往往难以满足工程应用需求。以FeNiCoCr为代表的FCC结构HEAs尤其面临这一困境——其屈服强度通常不足300 MPa，远低于航空航天等领域对结构材料的要求。更棘手的是，传统强化手段如晶粒细化或第二相沉淀往往以牺牲塑性为代价，这种强度-塑性的"此消彼长"成为制约HEAs应用的阿喀琉斯之踵。

山东理工大学的研究团队独辟蹊径，提出"双管齐下"的强化策略：一方面通过增加Fe含量和Si掺杂显著降低层错能(Stacking fault energy, SFE)，促进堆垛层错网络形成以增强应变硬化能力；另一方面利用Si元素诱导半共格沉淀相(Semi-coherent precipitates, SCPs)产生，构建阻碍位错运动的新型强化屏障。这种"层错工程+沉淀强化"的协同机制，为破解HEAs强度-塑性平衡难题提供了全新思路。

研究采用真空电弧熔炼制备Fe_1.5NiCoCrSi_x(x=0.2,0.4,0.5)系列合金，通过X射线衍射(XRD)分析相组成，结合力学性能测试和微观结构表征揭示强化机制。关键发现包括：

晶体结构

XRD证实Si_0.2和Si_0.4合金保持单一FCC相，而Si_0.5合金出现L1₂型有序相。随着Si含量增加，择优生长取向从{111}转变为{220}，暗示Si掺杂改变了晶体生长动力学。

力学性能

Fe_1.5NiCoCrSi_0.5展现出卓越的综合性能：屈服强度较传统HEAs提升约40%，延伸率仍保持37.6%。这种"鱼与熊掌兼得"的效果源于SFE从72 mJ/m²降至55 mJ/m²后激活的多种变形机制。

微观机制

透射电镜观察到：1）低SFE促进高密度堆垛层错和孪晶形成，通过动态Hall-Petch效应强化；2）纳米级SCPs与基体形成半共格界面，既能有效钉扎位错又避免界面能过高，实现强度-塑性的最优平衡。

讨论与结论

该研究突破传统HEAs强化思路的局限，首次实现SFE调控与沉淀强化的协同增效。通过建立"Fe/Si含量-SFE-沉淀相-力学性能"的定量关系，为设计新一代高性能HEAs提供了理论模型。特别值得注意的是，Si元素在此扮演"双重角色"：既作为SFE降低剂（每添加0.1%Si降低SFE约4 mJ/m²），又作为沉淀相形成元素，这种"一石二鸟"的设计策略具有重要借鉴价值。

这项发表于《Materials Science and Engineering: A》的工作，不仅为航空航天用超高强度材料开发指明新方向，其提出的"多机制协同强化"范式更可推广至其他合金体系，标志着金属材料设计进入"精准调控"的新阶段。