阿德莱德大学&悉尼大学Acta Mater.: 氮过饱和高熵合金，实现高强度高塑性

在材料科学领域，间隙原子如氮、氧和碳在改变金属微观结构和增强机械性能方面起着关键作用。然而，为了避免形成脆性陶瓷相，传统间隙固溶合金中间隙元素的引入量通常小于2 at.%。

近期，澳大利亚阿德莱德大学谢宗翰和陈玉洁团队和悉尼大学安祥海团队成功研发了一种氮过饱和的高熵合金，该合金在机械性能方面表现出色。这项研究的核心是将含量高达28.9 at.% 的氮原子引入Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金中，从而实现显著的固溶强化和相结构调整效果。尽管氮含量极高，这些合金仍保持固溶体相态，未形成氮化物。随着氮含量的增加，合金的微观结构经历了从单一面心立方（FCC）相到双相结构（FCC和六方密排（HCP）相），再回到主要为FCC相的转变。

该合金表现出高达20 GPa的硬度，这一数值接近于陶瓷材料的硬度，但同时保持了优异的抗损伤性能和塑性变形能力。研究表明，这些卓越的机械性能归因于高氮含量带来的大规模固溶强化、层级双相结构以及应力诱导的FCC到HCP相变及孪生。与传统氮化物的脆性不同，这些氮过饱和高熵合金展现出类似于金属材料的显著塑性变形能力，为提升合金的机械性能开辟了新的途径。

本研究成果以“Interstitial Engineering Enabling Superior Mechanical Properties of Nitrogen-Supersaturated Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀High-Entropy Alloys“ 为题发表在国际著名期刊《Acta Materialia》上。论文第一作者为澳大利亚阿德莱德大学的陈玉洁博士，通讯作者为Jisheng Ma博士（莫纳什大学）和安祥海博士（悉尼大学）。其他作者还包括林悦铖博士生（阿德莱德大学）、Yvonne Hora（莫纳什大学）、Ashley Slattery博士（阿德莱德大学）、周志烽博士（香港城市大学）和谢宗翰教授（阿德莱德大学）。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120214

图1. (Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)N_x高熵合金中 (a) 氮和(b)金属元素的原子浓度随着氮气流率R_N的变化情况。(c) STEM/EDS和(d) STEM/EELS元素分布图，显示了在N20样品中Fe、Mn、Co、Cr和N的均匀分布。

图2. (Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)N_x高熵合金的 (a₁-e₁) 明场TEM图像，(a₂-e₂) 相应的SAED，以及 (a₃-e₃) HAADF STEM图像，展示了随着氮含量增加，样品的相结果从单一的FCC结构转变为双相FCC和HCP结构，最终变为以FCC相为主的结构。

图3. (Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)N_x高熵合金的机械性能。

图4. 样品N4在压痕测试变形后的微观结构。(a)高度变形区域的低倍截面STEM图像，显示出变形孪晶（用箭头标出）。(b, c) 高分辨HAADF-STEM图像，显示变形诱导的FCC纳米孪晶。 (d) 高分辨HAADF-STEM图像，显示由Shockley分位错（用红色“L”标出）实现的变形孪生。

图5. 样品N15在压痕测试后的微观结构表征。(a) 高度变形区域的低倍截面STEM图像。(b) 高分辨率HAADF-STEM图像，显示(a)中红框区域的全HCP结构。(c) 高分辨率HAADF-STEM图像，显示(a)中蓝框区域的全HCP结构。说明变形过程中发生FCC到HCP相变。(d) 放大的HAADF-STEM图像，显示(c)中黄框区域的Shockley分位错。

图6. 微观结构随氮含量变化的示意图，以及在N4和N15中观察到的变形诱导的FCC孪晶和FCC到HCP相变。