在77 K温度下，异质晶粒和连贯的纳米沉淀物赋予多主元素合金超高的强度-延展性协同效应

《Journal of Materials Science & Technology》：Heterogeneous grains and coherent nanoprecipitates imparting ultrahigh strength-ductility synergy in multi-principal element alloys at 77 K

基于多主元合金设计原理，采用冷加工结合退火和时效处理制备出（CoNiCr）81Fe9Ti5Mo4Al1合金，获得异质晶粒结构（粗大变形晶粒+细小再结晶晶粒）与双模尺寸L1?-γ'析出物的协同作用，在77K实现抗拉强度1980MPa和延伸率37.5%的高强高韧特性。异质变形诱导强化（HDI）、析出强化和位错强化共同作用主导强化机制。

　　本文研究了一种具有特殊多主元元素（MPEA）设计的合金，在极低温条件下的机械性能表现。该合金由CoNiCr81Fe9Ti5Mo4Al1组成，采用了冷拉伸、退火和时效处理相结合的方法，以实现异质晶粒结构和双尺度L12-γ'析出相的形成。实验结果显示，该合金在77 K的极低温环境下，展现出极高的抗拉强度和延展性，达到了1980 MPa和37.5%的总延伸率。这一性能表现标志着该合金在极低温工程应用中具有巨大的潜力，尤其是在需要同时具备高强度和高延展性的场景下。

在极低温环境下，材料的机械性能往往受到显著影响。例如，传统的奥氏体不锈钢和镍基合金在低温下的抗拉强度虽然较高，但其延展性却相对较差，这限制了它们在一些极端条件下的应用。因此，寻找能够在极低温条件下同时实现高强度和高延展性的材料成为材料科学领域的一个重要研究方向。多主元合金因其独特的成分设计和微观结构特性，被认为是一种有前景的解决方案。这类合金通常由多种主元元素组成，能够通过复杂的相互作用形成稳定的固溶体和析出相，从而显著提升其机械性能。

为了进一步优化多主元合金的性能，研究人员通常会考虑多种强化机制的协同作用。在本文中，作者通过引入不同的元素，如Fe、Mo、Al和Ti，来调控合金的相组成和析出行为。这些元素不仅有助于形成稳定的L12-γ'析出相，还能通过固溶强化和析出强化等多种机制提升合金的强度。同时，作者也注意到，过量的某些元素可能会导致脆性相的形成，从而损害合金的延展性。因此，精确调控元素含量成为设计高性能多主元合金的关键。

在实验设计方面，作者采用了冷拉伸、退火和时效处理相结合的工艺，以实现异质晶粒结构的形成。冷拉伸能够引入大量的变形晶粒，而退火则有助于晶粒的再结晶和细化。通过进一步的时效处理，析出相得以形成并稳定。这种多步骤的工艺设计不仅能够有效控制晶粒尺寸和分布，还能促进析出相的形成，从而实现强度和延展性的平衡。实验结果表明，该合金在77 K下表现出优异的强度-延展性协同效应，这得益于其异质晶粒结构和双尺度析出相的共同作用。

在微观结构方面，该合金的异质晶粒结构由粗大的变形晶粒和细小的再结晶晶粒组成。这种结构在变形过程中能够有效阻碍位错的运动，从而提升材料的强度。具体而言，在变形初期（应变ε=8%），变形晶粒中的高密度位错和变形纳米孪晶能够显著抑制位错滑移，增强材料的强度。与此同时，再结晶晶粒中的几何必要位错（GNDs）会在晶界处积累，形成异变变形诱导（HDI）强化。随着应变的增加（ε=20%），堆垛层错（SF）网络的形成进一步阻碍了位错的运动，促进了位错纠缠，从而增强了材料的加工硬化能力。这一过程不仅有助于提升强度，还能促进变形孪晶的形成，进一步增强延展性。

析出相的形成也是该合金在极低温下表现出优异性能的重要因素。L12-γ'析出相的引入能够有效提升材料的强度，同时由于其尺寸较小，对延展性的负面影响相对较小。此外，析出相的分布和形态对材料的性能也有重要影响。通过调控元素含量，作者成功地在合金中引入了双尺度的L12-γ'析出相，从而实现了对材料性能的精确控制。这种析出相的协同作用不仅有助于提升强度，还能通过阻碍位错运动来增强材料的韧性。

在热力学计算方面，作者利用了JMatPro软件包中的“Isopleth”功能，结合CALPHAD方法对合金的相平衡进行了预测。CALPHAD方法通过整合实验数据和理论模型，能够较为准确地预测合金在不同温度下的相组成和稳定性。这种计算方法为合金的设计提供了重要的理论依据，使研究人员能够在实验之前对合金的性能进行合理的预测和优化。此外，作者还参考了相关文献，对元素含量进行了细致的调整，以确保合金在极低温环境下能够表现出最佳的性能。

通过详细的微观结构表征和性能测试，作者发现该合金在77 K下的优异性能主要来源于其异质晶粒结构和析出相的协同作用。异质晶粒结构能够在不同的应变阶段发挥不同的强化作用，从而实现强度和延展性的平衡。而析出相的引入则通过阻碍位错运动和促进位错纠缠，进一步提升了材料的强度和韧性。这些发现不仅为理解多主元合金在极低温下的强化机制提供了新的视角，也为未来设计和优化高性能低温材料提供了重要的理论和实践指导。

此外，本文还强调了元素调控在合金设计中的重要性。Fe、Mo、Al和Ti等元素的精确添加不仅能够促进析出相的形成，还能通过不同的机制提升材料的性能。例如，Fe的加入有助于抑制HCP相的形成，从而提高材料的延展性；Mo的加入则通过固溶强化和析出强化提升材料的强度；而Al和Ti的合理调控则能够避免脆性相的形成，确保材料在极低温下的稳定性。这种多元素协同作用的设计理念为未来的合金开发提供了新的思路。

综上所述，本文通过系统的合金设计和优化工艺，成功开发出一种在极低温环境下表现出优异强度-延展性协同效应的多主元合金。该合金的异质晶粒结构和双尺度析出相的共同作用，使其在77 K下能够实现高达1980 MPa的抗拉强度和37.5%的总延伸率。这一研究成果不仅为极低温工程材料的开发提供了新的方向，也为未来在航天、能源和核工程等领域的应用奠定了基础。通过进一步的实验和理论研究，有望开发出更多性能优异的低温材料，满足日益增长的工业需求。