南京理工大学兰司教授团队《Acta Materialia》：双尺度化学起伏赋予高熵合金优异超低温力学性能

在接近绝对零度的极端环境中，许多传统结构材料会出现塑性或韧性下降。部分面心立方高熵合金虽然能够在低温下实现强度与塑性的同步提升，但在15 K附近往往出现由位错雪崩式运动引起的锯齿流变，影响材料塑性变形的稳定性和服役可靠性。因此，如何同时获得高强度、高塑性和稳定塑性流变，是超低温结构材料设计面临的重要挑战。

近日，南京理工大学兰司教授团队联合大湾区大学、香港城市大学（东莞）、浙江大学、香港城市大学、中国散裂中子源、匈牙利罗兰大学和日本散裂中子源的一项工作为打破这一僵局提供了新的思路。研究团队通过双尺度化学成分起伏微观结构设计，在15 K超低温下利用化学成分起伏调控高熵合金局域层错能与位错行为，实现了超低温下强度与塑性的协同提升，并且抑制了低温锯齿流变行为的发生，为新一代超低温材料的研发开辟了新路径，有望广泛应用于航天深空探测等超低温领域。

这项工作以“A dual-scale chemical fluctuation nanostructure enables CoCrFeNiPd high entropy alloy with exceptional mechanical properties at ultralow temperatures”为题发表于《Acta Materialia》。论文通讯作者为兰司教授、何海燕助理教授、吴桢舵教授和余倩教授，第一作者为英会强博士和寇宗德副教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金国合项目、国家自然科学基金面上项目、粤港高校‘1+1+1’联合资助计划等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122635

研究团队基于高熵合金元素之间电负性与混合焓差异设计，精确调控CoCrFeNiPd高熵合金的热处理工艺，成功在高熵合金中引入了独特的双尺度化学成分起伏协同结构。小角X射线散射、透射电子显微镜和三维原子探针结果表明，该结构由10 nm量级的大尺度化学成分起伏（L-CF）和1-3 nm的小尺度化学成分起伏（S-CF）共同组成。力学实验数据显示，随着温度的降低，样品强度与塑性协同提升，在15 K下，其抗拉强度可达2240 MPa，断裂延伸率保持在55%，同时抑制了超低温下锯齿流变行为的发生。

研究发现，这种卓越性能源于化学成分起伏对位错行为的影响。局域化学起伏形成交替分布的结构，产生局部应变场，能够阻碍位错运动，激活多系滑移，缓解位错堆积引发的过高应力集中，阻止位错发生雪崩式运动，抑制了锯齿流变行为的发生。此外，化学起伏能够调控高熵合金的层错能，构建层错能高低交替的纳米区域，催生层错、孪晶、9R相变等多重变形机制，实现强度增益。与此同时这类面缺陷开辟额外变形通道，改善材料塑性与加工硬化能力，最终实现高熵合金超低温下综合力学性能的协同提升。

该研究成果标志着高熵合金在超低温极端服役条件下的应用潜力迈上了新台阶。这种兼具高强韧与低温稳定变形的新型结构材料，有望广泛应用于航天深空探测等领域，从源头解决传统金属结构材料低温强塑性降低、变形失稳的痛点。

图 1 CoCrFeNiPd高熵合金的初始显微组织。(a) 晶体取向分布图以及晶粒尺寸分布图（插图）。(b)小角同步辐射散射（SAXS）测试结果。(c)透射电镜明场图，插图为对应的选区电子衍射。图(d)为图(c)中d方框区域的放大视图。(e)大尺度化学起伏（L‑CF）结构的高分辨透射电镜（HRTEM）图像以及对应的几何相位分析（GPA）应变云图。(f)小尺度化学起伏（S‑CF）结构的透射电镜高分辨图以及对应的GPA应变云图。

图 2 CoCrFeNiPd 高熵合金的元素分布。(a)、(b) 不同尺度下的HAADF-STEM以及对应的能谱面扫结果。(c) APT元素含量等高线分布图，分别为 (Fe‑Co‑Ni)、(Pd‑Cr) 元素的分布情况。

图 3 CoCrFeNiPd 高熵合金不同温度下的力学性能。(a)室温、77 K、15 K 条件下拉伸真应力‑真应变曲线。(b) 加工硬化率曲线。(c) 三种温度对应的工程应力‑工程应变拉伸曲线。(d) 本研究中获得的力学性能与其他合金25 K以下的性能对比。

图 4 不同温度下拉伸方向原位中子衍射表征结果。(a) 室温、(b) 77 K、(c) 15 K拉伸变形过程中的中子衍射二维图谱。(d) 室温、(e) 77 K、(f) 15 K 变形过程不同应变量下(111)、(200)晶面衍射峰的演化特征。

图 5 CoCrFeNiPd 高熵合金不同温度变形过程中晶格应变与织构演变规律。(a) 室温晶格应变演变。(b) 室温织构演变。(c) 77 K晶格应变演变。(d) 77 K织构演变。(e) 15 K晶格应变演变。(d) 15 K织构演变。

图 6 CoCrFeNiPd 高熵合金室温、77 K、15 K拉伸变形过程中(a) 位错密度、(b) 位错特征参数q、(c) 层错概率随真应变的变化。

图 7 CoCrFeNiPd 高熵合金室温拉伸变形断口的透射电镜显微组织。(a)透射电镜明场图像，插图为对应的选区电子衍射。(b)纳米变形孪晶的透射电镜高分辨图，插图为快速傅里叶变换图谱。(c) 位错与孪晶界透射电镜高分辨图像及其对应的几何相位分析（GPA）。

图 8 CoCrFeNiPd 高熵合金15 K下20% 拉伸应变的透射电镜显微组织。(a) 位错形貌。(b) 位错结构的放大图。(c) 透射电镜高分辨图。(d) 图(c)对应的几何相位分析应变云图。(e)透射电镜明场图像。图(g)为图 (e) 对应的透射电镜暗场图像。(f) 变形孪晶和层错的选区电子衍射花样。(h) 变形孪晶、层错结构的高分辨透射电镜照片。

图 9 CoCrFeNiPd 高熵合金15 K 拉伸断口的透射电镜显微组织。(a)透射电镜明场图像。图(b)为图 (a) 的选区电子衍射花样以及对应的电子衍射模拟图谱。图(c)为图(b)中圆圈标注衍射斑点对应的透射电镜暗场图像。图(d)、(e)依次为图(a)中方框 d、e 区域的高分辨图。图(f)、(g)分别为图(d)中方框f、g区域的快速傅里叶变换图谱以及对应的几何相位分析应变场。图(h)为图(d)中方框h区域的快速傅里叶变换图谱和放大显微形貌。

图 10 CoCrFeNiPd 高熵合金不同温度拉伸断口的扫描电镜图像。 (a) 室温、(b) 77 K、(c) 15 K 断裂试样侧面形貌。(d) 室温、(e) 77 K、(f) 15 K 试样断口形貌。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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