Acta mater.: 氮让高熵合金强度翻倍、延伸率提升38%，短程有序与纳米层错的协同机制被揭示

2025-11-28 16:20:41 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

开发同时具备高强度与高延展性的结构材料，是金属材料设计的核心挑战之一。对于面心立方（FCC）高熵合金来说，虽然其具备优异的塑性，但屈服强度普遍偏低；反之，传统提升强度的方法，如加入间隙原子，往往会导致明显的塑性下降。氮（N）是一种强固溶强化元素，但常常带来材料脆化。因此，实现“增强强度而不降低延展性”长期被认为是高难度目标。

2025年11月23日，材料领域的国际期刊《Acta Materialia》在线发表了题为“Microstructural origin of the simultaneous enhancements in strength and ductility of a nitrogen-doped high-entropy alloy”的研究论文，在本论文中研究团队通过向TRIP型的Cr20Mn24Fe30Co20Ni6高熵合金中加入仅1 at.%的N，实现强度提升104%、延伸率提升38%的性能突破，并揭示由短程有序（SRO）、密集层错（SF）与孪晶（TWIP）共同驱动的强韧化机制。通讯作者为苏州大学的吴小香教授和西安交通大学的吴戈教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121753

【核心内容】

通过对比N-free与1 at.% N合金的初始组织、拉伸行为、位错–层错演化及原子尺度结构调控，构建了一个由SRO诱导位错平面化、层错密化、再到孪晶激活的连续变形机制链条。研究表明，氮不仅稳定FCC相、抑制HCP转变，还提升SRO程度，进而导致位错滑移方式改变，并在变形中形成密集层错与后期孪晶。这一新型序列变形机制打破了传统“低SFE才能提高延性”的认识，并为高熵合金设计提供了新的理论基础。

图形摘要

【研究方法】

研究团队首先采用真空熔炼、热轧和高温均匀化制备了不含N的合金样品（N-free）与添加了1 at.%N的合金样品（N-doped），并利用EBSD、XRD、TEM/HRSTEM、APT等多尺度手段解析材料的初始组织与微观结构特征。此外，通过室温单轴拉伸与DIC技术获取样品的宏观力学性能及局部变形行为，随后，借助原位TEM观察变形过程中层错与孪晶的实时演化，并通过第一性原理计算不同相结构中N的溶解行为及其对层错能（SFE）的影响，从理论层面揭示氮导致强塑协同的根本原因。

【研究成果】

① N提升FCC稳定性并增强短程有序

加入N后，合金在退火态下呈现完全单相FCC结构，而未加氮的材料仍含约3%的HCP组织，证明N显著提高了FCC相的稳定性，进一步的微观表征发现，两种材料都存在短程有序，但N-doped合金的SRO更为强烈，具有更高密度的有序区域。

N掺杂与未掺杂HEA的初始微观结构表征

初始状态下SRO结构的TEM和HRSTEM分析

② 力学性能显著提升：强度翻倍、延展提升38%

N-doped合金的屈服强度由165 MPa提升至376 MPa，涨幅达104%，延伸率由40%增至56%，提升幅度达38%，更重要的是，应变硬化曲线呈现出清晰的“两阶段硬化”特征，意味着不同变形机制在不同应变阶段被依次激活，N-doped合金的强塑组合显著优于许多C/N/O强化的HEAs与先进钢材体系。

N掺杂HEA与未掺杂HEA的力学性能对比

③ N诱导密集平面滑移与高密度层错形成

在较低应变下，未加N的合金仅出现少量层错，而N-doped合金则呈现出明显的位错平面化与成对排列的位错结构，这是典型由SRO导致的位错滑移受限行为，随着应变升高，N-doped合金内部形成大量平行的层错，平均间距仅为10-15 nm，这些层错不仅在晶粒内部形成网络结构，还限制位错的活动空间，促使位错密集缠结，使材料在较大应变范围内保持较高的应变硬化速率。

局部应变5%时N掺杂与未掺杂HEA的TEM微观结构

局部应变50%时N掺杂HEA的STEM分析（滑移带和层错）

高应变下层错与位错的交互作用

④ N抑制HCP转变并促进孪晶行为

N-free合金在大塑性变形后出现高达71.5%的HCP转变，表明在材料内TRIP效应占主导，相对地，N-doped合金几乎完全抑制HCP的生成，而是大量形成孪晶，孪晶区域的KAM值明显升高，说明这些区域具备更强的位错储存能力，相比容易引发局部应变集中的HCP，孪晶能持续吸收变形能量，使材料维持更高的延展性。