高熵合金在极端环境下的卓越表现：从低温到高温的力学性能突破！

摘要：文章系统探究了CoCrFeNiMn₀.₇₅Cu₀.₂₅高熵合金（HEA）在动态拉伸载荷下（应变速率3 000 s⁻¹）的变形机制与强化效应，温度范围覆盖93 K至1 073 K。结果表明，该合金在93 K时表现出显著的强度与延展性协同提升（强度提升38%，延展

导读

文章系统探究了CoCrFeNiMn₀.₇₅Cu₀.₂₅高熵合金（HEA）在动态拉伸载荷下（应变速率3 000 s⁻¹）的变形机制与强化效应，温度范围覆盖93 K至1 073 K。结果表明，该合金在93 K时表现出显著的强度与延展性协同提升（强度提升38%，延展性提升27%），这归因于变形带、堆垛层错（SFs）、多尺度孪晶、位错及Lomer-Cottrell（L-C）锁的协同作用。高温下（1073 K），动态再结晶（DDRX）主导变形，通过晶粒细化维持了60%以上的伸长率。研究揭示了温度对微观结构演化的调控作用，为高熵合金在极端环境下的应用提供了新见解。

高熵合金（HEAs）因其具有卓越的强度、显著的塑性、在热腐蚀条件下的优异稳定性以及对疲劳和辐照的强抗性而备受关注，可以在快速应变率和宽温度范围（从低温到高温）的复杂环境下工作，在航空航天和核能应用中显示出巨大潜力。

高熵合金被誉为“材料界的多面手”，但极端温度下的性能波动一直是工程应用的“卡脖子”难题。当HEAs在高速冲击、爆炸或快速成形过程中经历剧烈的应变率增加时，会发生显著的微观结构变化。高应变率下，强度和延性都会得到改善，这源于各种晶体缺陷之间的复杂相互作用。在某些HEAs中，高应变率还可能诱导相变，进一步影响微观结构稳定性和力学响应。

近期，一项由哈尔滨工业大学的黄永江教授团队联合联合奥地利科学院及香港大学团队共同完成的研究揭开高熵合金的极端环境生存法则，全面分析了CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金在动态拉伸加载下从93 K到1073 K的变形行为和机制，首次实现CoCrFeNiMnCu合金在-180~800 ℃宽温域的“性能自由”。相关成果以题为“Deformation behavior and strengthening mechanisms of high-entropy alloys under high strain rate across wide temperature ranges”发表于《International Journal of Plasticity》。

在接近绝对零度的93 K低温环境下，这种高熵合金展现出约30%的强度和延性提升。这归功于变形带、堆垛层错（SFs）、多尺度孪晶、位错和Lomer-Cottrell锁之间的协同作用。这些微观结构的相互作用不仅增强了材料的加工硬化能力，还延缓了断裂的发生，使材料在极端低温下仍能保持优异的力学性能。

当温度升高到1 073 K时，高熵合金的变形机制发生了显著变化。不连续动态再结晶（DDRX）在变形带内发生，导致晶粒细化，从而重新分布应力并维持超过60%的延伸率。这种机制不仅改善了材料的塑性，还确保了在高温下的热稳定性，使其在极端高温下仍能保持良好的力学性能。

此外，还详细分析了高熵合金从低温到高温的微观结构演变过程。随着温度的升高，材料的变形机制从低温下的孪晶和位错相互作用转变为高温下的动态回复和再结晶。这一转变不仅揭示了温度对微观结构演变的强烈影响，还为理解高熵合金的变形机制提供了新的视角。该研究不仅为高熵合金在极端环境下的应用提供了理论基础，还为航空航天和核能等领域的材料选择提供了重要的参考。