Nat. Mater/屈服3GPa超强中熵马氏体合金/吕昭平院士

2026-02-02 15:03:06 作者：材料经纬来源：材料经纬分享至：

在材料科学的极限挑战中，每增加一个GPa的强度，往往意味着要牺牲成倍的塑性。如今，一项来自中国研究团队的突破正在打破这一定律。

在航空航天、重型装备和先进交通领域，对超高强度金属材料的追求从未停止。尤其是那些拥有马氏体组织的合金，因其出色的强度潜力而备受关注。

然而一条看不见的“天花板”一直横亘在材料科学家面前：2.5 GPa。这是现有马氏体合金在保持一定塑性时所能达到的强度极限，即使引入纳米沉淀相或多级结构也难以突破。

近期，Nature Materials发表了一项来自吕昭平院士的突破性研究A 3-GPa ductile martensitic alloy enabled by interface complexes and dislocations，他们成功开发出一种屈服强度超过3 GPa的近乎单相马氏体合金，同时保持了5.13%的断裂伸长率，创造了此类材料的性能新纪录。

01 马氏体的“阿喀琉斯之踵”

板条马氏体合金之所以能成为超高强度材料的代表，源于其内部超高密度位错网络和精细的马氏体边界。这些微观结构能将材料的屈服强度提升至1-1.4 GPa范围。

其中，占总边界体积50-70%的板条和亚块边界——主要是小角晶界——通过显著的位错强化作用，贡献了超过65%的总强度。

然而，正是这些赋予马氏体优异性能的小角晶界，也成为其进一步强化的限制因素。虽然它们与基体保持较好的共格性，有利于位错传递和塑性应变协调，从而缓解应力集中和过早失效。

但这也削弱了它们阻碍位错运动的能力，限制了可实现的最大强度。

以往试图通过引入高密度沉淀相或多级亚结构来推动马氏体合金走向更高强度的努力，往往收效有限，通常只能达到接近2 GPa的上限。

沉淀硬化受限于平衡固溶度，而依赖于微观结构的位错强化则受到热力学回复的限制。这些内在限制，加上小角晶界固有的可穿透性，使得强度与塑性之间的权衡成为常态。

目前最先进的合金很少超过2.5 GPa的屈服强度，且断裂伸长率通常低于3%。

02 界面工程：从“短板”到“跳板”

为了突破这一传统限制，研究团队提出了一种全新的边界偏聚工程策略，旨在最大化位错阻挡并抑制裂纹形核。

与传统多相强化方法不同，新方法将高密度位错和小角晶界作为可控的缺陷调控器。合金设计框架基于三个协同支柱：

首先是马氏体基体，它天然含有高密度缺陷；其次是足够的冷加工性，能够承受剧烈塑性变形，从而引入致密均匀的缺陷网络；第三是金属和间隙原子的共偏聚，以稳定这些缺陷。

前两者保证了充足的缺陷储备，而第三个支柱则将这种储备转化为稳定、强化的结构。

通过组合成分优化和热机械加工设计，研究团队开发了一种Fe-Co-Mo中熵马氏体合金系统。其中钴热稳定体心立方马氏体，而钼通过原子尺寸失配（δ=8.8%）引发严重的晶格畸变。

间隙原子硼和碳的引入增强了淬透性并强化了界面结合。冷轧增加了位错密度，随后的低温退火通过边界偏聚稳定了这些缺陷，促进了界面复合体的形成，最终优化了力学性能。

03 性能突破：3 GPa强度与5%塑性共存

研究团队系统研究了该中熵合金在三种加工状态下的力学性能：固溶处理态、冷轧态以及冷轧后退火态。

固溶处理合金的拉伸屈服强度为0.93 GPa，断裂伸长率为2.76%。冷轧合金的拉伸屈服强度提高到1.94 GPa，断裂伸长率增加到6.49%。

而经过退火处理的合金展现出惊人的拉伸屈服强度——3.05 GPa，比固溶处理和冷轧态分别高出约2.1 GPa和1.1 GPa。尽管具有超高屈服强度，该合金仍保持了5.13%的断裂伸长率。

显微硬度测试结果进一步证实了其卓越性能：退火合金的硬度达到802 HV，分别比固溶处理和冷轧合金高出80.6%和39.4%。

04 微观机制：界面复合体的魔法

为了揭示超高强度的内在机制，研究团队将微观结构分析深入到了原子尺度。冷轧合金含有接近单相的马氏体，具有高密度位错和层状晶粒，但元素分布均匀，没有明显的元素偏聚。

而退火合金在小角晶界处出现了Mo、B和C的显著共偏聚，形成了界面复合体。

在约0.3Tm（Tm为熔化温度）的退火过程中，热激活使溶质原子能够扩散。位错作为快速扩散通道，而高空位密度促进了非平衡偏聚，共同加速溶质原子向内部界面迁移，促进了界面复合体的快速组装。

构型熵在界面复合体形成中扮演了关键角色。较高的构型熵抑制了脆性金属间化合物的析出，增强了溶质原子的固溶度，从而提高了冷轧过程中的晶格畸变和缺陷密度。

退火时，这些缺陷提供了快速扩散路径，而过饱和的溶质原子为重新分布提供了化学势和迁移率。因此，较高的构型熵通过增强溶质原子固溶度和防止脆性相形成，最终为界面复合体形成提供了动力学途径。

05 界面复合体如何同时提升强韧性？

研究发现，退火合金中的界面复合体将不稳定的SAGBs（即不稳定的钉扎点）转化为更稳定的钉扎点，有效阻碍了位错在更高应力下的运动，显著提高了合金的屈服强度。

具体而言，退火合金的位错密度为1.21×10¹⁵ m⁻²，位错段长度为19.4 nm；而冷轧合金的位错密度为1.99×10¹⁵ m⁻²，位错段长度为31.5 nm。退火合金的平均位错段长度比冷轧合金短了38%。

这意味着界面复合体增加了有效钉扎点的数量，缩短了位错段长度，从而增强了材料抵抗变形的能力。

更深入的分析发现，界面复合体在小角晶界附近产生了更强的应变场，更有效地阻碍了位错跨越这些边界。因此，退火合金中的位错平均自由程比冷轧合金更短。

这增加了拉伸变形过程中的位错障碍密度，增强了位错相互作用，促进了有效的位错存储，从而提高了应变硬化能力并改善了塑性。

06 通用性验证：不止一种合金的突破

为了验证界面复合体策略的普适性，研究团队系统研究了多种合金系统的力学性能和微观结构演变。

在具有不同Mo含量的合金中，较高的Mo浓度通过富集界面处的Mo，促进了退火过程中界面复合体的形成，从而增强了力学性能。

而在不含硼和碳的合金中，由于缺乏B/C偏聚，塑性严重受限，尽管保持了高强度，但断裂伸长率仅为约1%。

这些结果共同强调了富含金属和间隙原子的界面复合体在同时实现超高强度和塑性方面的关键作用。

这项研究展示了一种简单而强大的材料设计策略：冷轧结合低温退火，就能在近乎单相马氏体合金中引入位错和界面复合体，使其拉伸屈服强度突破3 GPa大关。

在退火过程中，Mo、C和B在高密度小角晶界处共偏聚，形成稳定这些边界并创造有效钉扎点的界面复合体。这些复合体阻碍位错运动的同时保持位错传递能力，在强度和塑性之间取得了平衡。

这一策略与现有制造方法无缝集成，且具有可扩展性，为设计下一代超强结构材料开辟了一条有前景的道路。随着这项技术的进一步发展，我们有望看到在航空航天、交通运输和能源等领域出现更轻、更强、更可靠的结构部件。

Fig. 1: Mechanical properties.

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Fig. 2: Microstructure characterization.
Fig. 3: Microstructure evolution of CRA and CR alloys during tensile deformation.
Fig. 4: Quantification of dislocation structure parameters for the CRA and CR alloys.
Extended Data Fig. 1 Atom probe tomography measurements of the CR alloy.
Extended Data Fig. 2 Calculation of the yield strength.
Extended Data Fig. 3 Mechanical properties and microstructural characterization of the (Fe50Co40(TiVMoW)10)99.6B0.3C0.1 alloy.

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Extended Data Fig. 4 Mechanical properties and microstructural characterization of the (Fe50Co40V10)99.6B0.3C0.1 alloy.
Extended Data Fig. 5 Mechanical properties and microstructural characterization of the (Fe60Co25Ni10Mo5)99.6B0.3C0.1 alloy.
Extended Data Fig. 6 Mechanical properties and microstructural characterization of the (Fe60Co20Ni15Mo5)99.6B0.3C0.1 alloy.