拓扑密堆积（TCP）金属间化合物相因其优异的高温强度与抗蠕变性能，在高温结构材料中具有重要应用。但传统TCP相室温脆性极高，即使微量也会显著降低合金韧性，TCP相体积分数通常需控制在10%以下以避免灾难性失效。其脆性源于单晶中有限的滑移系和多晶中薄弱的晶界，且现有微合金化等方法无法有效提升室温断裂韧性，这一强韧性权衡问题长期制约TCP相的应用。

近日，上海交通大学顾剑锋教授、赫全锋副教授团队联合香港城市大学杨勇教授、赵仕俊教授，在复杂共晶合金中设计出一种具有可逆多型相变能力的亚稳态拓扑密堆相，成功实现了在拓扑密堆积金属间化合物材料高达50%体积分数下仍具备优异的强韧性匹配，其室温断裂韧性达到62MPa·m^0.5。该研究成果以“Polytypical Phase Transformation of Topologically Close-Packed Phase Enabled Toughening in Multi-Principal-Element Eutectic Alloy”为题被发表于材料领域顶级期刊《Acta Materialia》上。上海交通大学赫全锋副教授、湖南大学马诗华博士与韩国忠南大学D.H. Chung助理教授为论文共同第一作者，通讯作者为香港城市大学杨勇教授、赵仕俊教授及上海交通大学顾剑锋教授。研究工作获得了国家自然科学基金、香港研究资助局等项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121737

【核心内容】

该研究设计了一种成分为CoNiNb_0.37的多主元共晶合金，在其铸态组织中首次发现了一种具有单斜结构的亚稳TCP相（命名为M相），通过实验与模拟发现M相在应力作用下可发生可逆多型相变，转变为C14 Laves相，并在卸载或热处理后部分恢复。这一相变过程在裂纹尖端诱发了显著的塑性区，有效钝化裂纹、耗散能量，从而大幅提升了材料的断裂韧性，合金在含～50vol% TCP相的情况下，仍实现62MPa・m^0.5的室温断裂韧性。同时，转变的可逆性赋予合金出色的热机械加工性，可承受超75%的压缩应变而不失效，为解决传统TCP相固有的脆性问题和实现强韧性协同提供了新范式。

图形摘要

【研究成果】

① 性能突破：TCP相合金韧性刷新纪录

1200℃退火的含50vol%亚稳态M相的CoNiNb_0.37合金，其室温断裂韧性可达到62MPa·m^0.5，这一数据远远超过了传统的TCP相合金。1200℃退火样品的屈服强度和断裂应变分别为0.8GPa和23%，且含52vol% M相的铸态样品屈服强度和断裂韧性分别为1.4GPa和39.8MPa・m^0.5，打破了合金高强度必脆的局限。

合金的力学性能与优异的强韧协同效应：(a) 铸态及不同温度退火后样品的应力应变曲线，(b) 样品的显微硬度和片层间距随退火温度的变化，(c) 通过断裂韧性测试获得的J-R曲线，(d) 本工作开发的合金与其它已报道的TCP相强化合金的断裂韧性-硬度对比图

② 机制创新：发现TCP相可逆多型转变

该研究团队首次在TCP相中观察到了可逆多型相变，亚稳态的M相在～470MPa的临界应力下，通过层内原子滑动转变为C14 Laves相，这种转变在卸载或者1200℃退火后可逆向恢复。且这种转变机制不同于传统的马氏体相变，它通过应力诱导结构重排实现能量耗散，抑制裂纹扩展，赋予裂纹尖端塑性。

原位实验直接捕捉到应力诱导的可逆相变：(a) 在循环加-卸载过程中，通过原位高能X射线衍射图谱直接观察到M相与C14 Laves相之间的转变，(b) 不同晶面间距随应力的变化。(c-d) 变形前样品的TEM图像及对应的M相选区电子衍射花样，(e-f) 变形后暗场TEM图像及对应的选区电子衍射花样证实，M相已转变为C14 Laves相

分子动力学模拟揭示M相至C14相的原子级剪切变形机制：(a-b) 分别沿 [110]和[010] 方向观察，在压缩应变下M相的原子构型演变。红色区域标志着已通过剪切转变为C14结构的原子团簇。当应变达到约0.1时，M相晶格发生局部塌陷并重组为C14结构，(c-d) 高应变区域原子团簇的放大图，(e-f) M相到C14相转变过程的示意图显示该过程主要由原子层之间的剪切滑移主导

③ 加工性飞跃：75%累积应变不失效

这项研究利用了M相和C14相的可逆转变，通过压缩和1200℃退火循环，使合金能够承受75%的累积压缩应变而无断裂，突破了传统TCP富集时材料可加工性差的瓶颈，为后续成型制造提供可能。

(a）CoNiNb_0.37共晶合金的循环应变-应力曲线，每次压缩后，在1200°C下进行热处理，(b) CoNiNb_0.37共晶合金的循环应变-应力曲线，每次压缩后以1000°C退火，(c) CoNiNb_0.37共晶合金在循环压缩试验中，压缩应变为0、18%和75%时的照片，(d) 显示样品在循环压缩试验中总应变为0和14%的照片，对应于(b)

【总结与展望】

该研究通过多主元合金设计与亚稳相调控，首次发现的M相和C14相的可逆多型转变，使合金在高TCP相的情况下仍然能够强韧性兼备，并且可以达成可加工性能的突破，不仅为TCP相的强韧化设计提供了全新路径，也展示了亚稳相工程在实现材料多功能化方面的潜力。此类具备可逆相变能力的TCP相复合材料，有望应用于高温结构部件、耐损伤涂层、以及需在极端环境下服役的能动组件中，推动下一代高强韧合金的发展。