中物院李晋锋/港城大吕坚AS：蠕虫状共晶多主元合金实现强度与韧性完美兼得

Wiley

2025-07-18

研究背景

通常，金属结构材料的强度和韧性具有此消彼长的关系，如何同时提升强度与韧性一直是金属材料领域的核心问题与重大挑战。共晶多主元合金因具有“软”和“硬”相交替排布的共晶结构而具备高强度与延展性的平衡，但传统共晶多主元合金特定的层片状或棒状共晶结构也限制了其力学性能的进一步突破。

研究内容

近日，中国工程物理研究院材料研究所李晋锋副研究员与香港城市大学吕坚院士、栾亨伟博士后领导的科研团队提出了一种新型蠕虫状共晶多主元合金。该合金颠覆了传统层片状/棒状共晶结构，实现了强度与延展性的双重飞跃。这项研究不仅为共晶合金家族增添新成员，也为高性能金属结构材料设计开辟新路径！

研究团队制备了(AlCrFe₂)₆₅Ni₃₅多主元合金，并通过相图计算和差示扫描量热分析（DSC）确认合金具有共晶组织。该合金具有蠕虫状共晶结构由扭曲的亚微米级FCC相和失稳分解的纳米级BCC/B2相组成。与层片状共晶结构相比，蠕虫状共晶结构在空间上具有更丰富的FCC－BCC/B2相界，从而在变形过程中能够产生更显著的异质变形诱导强化效应。蠕虫状共晶多主元合金的抗拉强度达到1322 MPa，延伸率达到19.5%，均显著超过类似制备工艺下的同体系典型层片状共晶多主元合金。此外，扭曲分布的相结构能够有效弱化应力集中，促进位错增值，进而提高合金均匀变形能力，局部二维全场应变显示合金均匀变形量超过15%。

为揭示蠕虫状共晶结构的形成机制，团队建立相场－相场微弹性耦合模型来模拟凝固过程。在层片状共晶多主元合金中，FCC与BCC相弹性模量具有显著差异，强烈的界面能各向异性诱导了“晶体学锁定”效应，迫使两相定向生长，形成层片状共晶形态。在蠕虫状共晶多主元合金中，两相具有相似的弹性模量使得界面能趋于各向同性，以至于环境中微小的热扰动即可引发层片结构发生扭曲，最终形成蠕虫状共晶结构。

从“直线”到“蠕虫”，不仅是微观形貌的革新，更是材料设计哲学的跃迁。此项成果不仅拓展了共晶合金的设计思路，也为高性能结构材料的开发提供了结构设计新范式。

图文介绍

图 1. 蠕虫状共晶多主元合金的相图计算以及物相结构：（a）和（b）伪二元与垂直截面相图；（c）DSC曲线；（d）XRD图谱；（e）和（f）SEM背散形貌；（g）和（h）EBSD相图与IPF图；（i）FCC层厚统计

图 2. 蠕虫状共晶多主元合金的微观结构与元素分布：（a）和（b）TEM明场形貌；（c-e）FCC、BCC和B2相的AC-TEM高分辨形貌；（f）B2相原子级元素分布；（g）和（h）BCC/B2相的APT分析

图 3. 蠕虫状与层片状共晶多主元合金的拉伸力学性能：（a）应力应变曲线；（b）和（c）蠕虫状共晶多主元合金与同体系层片状共晶多主元合金力学性能对比

图4 多稳态超构线和多稳态形状变形。（A）由转动卡扣结构与对应卡槽结构构成的单元单胞构型。（B）超构线的设计理念，并展示了其引发的形状变化机制。（C）多稳态四边形稳态转换时的力学响应。（D）展通过组合多个单元单胞，能够构造出多样化的形状，包括但不限于字母、数字及汉字图案。

图 5.蠕虫状与层片状共晶结构的相场模拟：（a）和（b）蠕虫状与层片状共晶结构固－液界面Young-Herring平衡理论模型；（c-e）蠕虫状共晶结构的形核与生长模拟；（f-h）层片状共晶结构的形核与生长模拟

期刊简介

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