《JMST》丨多尺度异质纳米共晶高熵合金，实现超高强度与卓越疲劳性能的协同突破

2026-01-12 15:04:33 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

在实际的工程服役环境中，结构材料所面临的挑战并非单纯的承载一定的应力。例如，循环加载在实际工程中并不少见，在该工况下意味着材料要能够长期抵抗循环应力引起的疲劳损伤。然而，传统的高强度金属材料在提升强度的同时，其疲劳强度并不一定随之增长，甚至会在一定程度上降低。就好比细晶或纳米结构材料虽可提高强度，却极易因热稳定性不足或裂纹敏感性增强而难以满足长期服役需求。近年来，有研究人员发现共晶高熵合金因其天然的双相协同组织，在力学性能方面展现出潜力，但其在疲劳载荷下的损伤演化机理与组织优化路径仍缺乏系统研究。

2025年11月，期刊《Journal of Materials Science & Technology》在线发表了一篇题为“Multiscale heterogeneous nanostructured eutectic high entropy alloys with ultrahigh strength and excellent fatigue properties”的研究论文，该论文提出了一种通过多尺度异质纳米结构调控显著提升共晶高熵合金综合力学性能的新策略，成功在单一材料体系内同步实现了强度显著提升与疲劳寿命大幅延长，论文的通讯作者为沈阳理工大学的郭策安教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.08.076

【核心内容】

研究通过调控AlCoCrFe_xNi_y共晶高熵合金的成分与加工路径，在材料内部构建了跨越纳米—亚微米—微米尺度的异质结构体系。该结构由软硬相协同组成，在塑性变形与循环载荷条件下可诱导显著的位错梯度与相变行为，从而在提升强度的同时抑制裂纹萌生与扩展，最终实现强度与疲劳性能的协同突破。

图形摘要

【研究方法】

团队通过真空感应炉熔炼了三种AlCoCrFe_xNi_y（x=1和y=2；x=1.5和y=1.5；x=2和y=1）EHEA，将合金样品浇铸成棒材，用JMatPro计算其平衡相图，利用综合热分析仪绘制了三种EHEA的差示扫描量热曲线，差示扫描量热仪实验的升温和降温速率均为5℃^-1/min。系统利用 XRD、SEM、EBSD、TEM与HRTEM等多尺度表征技术解析组织特征，在此基础上，通过单轴拉伸实验、低周疲劳测试以及断口与裂纹扩展行为分析，全面评估多尺度异质结构对力学与疲劳性能的影响，并结合位错行为与相界作用机制进行机理解释。

【研究成果】

① 多尺度异质纳米共晶结构的构建

该共晶高熵合金在凝固与后续加工过程中形成了典型的层片状共晶结构，并在此基础上进一步演化出多尺度异质组织特征。不同尺度的相区在空间上相互嵌套，使材料在宏观上保持变形协调性，同时在微观尺度上引入显著的结构不均匀性，为后续强化与抗疲劳机制的激活提供了结构基础。

三种铸态AlCoCrFe_xNi_y合金的平衡相图和DSC曲线

铸态共晶高熵合金的微观结构表征

热锻后多尺度异质纳米结构AlCoCrFe_xNi_y合金的EBSD分析

② 纳米层片与异质相界协同强化机制

共晶层片内部的晶粒尺寸被细化至纳米尺度，同时倾向于在相界处形成稳定的异质界面结构，这些界面在变形过程中能够有效阻碍位错滑移并促进位错储存，从而提升材料的加工硬化能力，这也是为何合金的屈服强度的得到了明显的提升。同时，纳米尺度的层片在循环载荷下保持良好稳定性，避免了传统纳米材料中常见的组织退化问题。

多尺度异质纳米结构AlCoCrFe_xNi_y合金的TEM分析

AlCoCrFe_xNi_y合金的室温拉伸性能

多尺度异质纳米结构AlCoCrFe_1.5Ni_1.5合金拉伸过程中的原位EBSD观察

③ 超高强度与良好塑性的协同实现

该多尺度异质纳米共晶高熵合金在保持高强度水平的同时，仍然能够保持可观的塑性变形能力，这一强塑组合相较于目前已报道的常规共晶合金及高熵合金体系要更为优异，这说明团队设计的异质结构能够有效缓解应变集中，延缓颈缩与失稳的发生。

铸态和HN共晶高熵合金的半寿命滞后曲线

多尺度异质纳米结构AlCoCrFe_1.5Ni_1.5合金疲劳测试后的TEM图像

④ 循环载荷下疲劳寿命的大幅提升

Fe和Ni掺杂的合金展现出较高的疲劳寿命，这是因为多尺度的异质结构在循环变形过程中能够诱导形成稳定的位错梯度分布，降低局部应变集中的程度，从而抑制疲劳裂纹的早期萌生，从断口形貌与裂纹扩展路径的分析也可以发现，多尺度异质组织能够有效干扰裂纹的连续扩展，裂纹在不同尺度相区与异质界面处发生偏转、钝化甚至分叉，使裂纹扩展路径显著延长，并伴随更多塑性能量耗散，从而降低裂纹扩展速率。