西安交通大学，Nature！

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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

超高强度金属合金在挑战性结构应用中备受关注。目前最先进的块体合金屈服强度已达约2 GPa，同时保持超过8%的拉伸延展性。例如，少数超高强度钢（如D&P中Mn钢）已实现这种强度-延展性组合，其碳浓度约为0.18%-0.47%。

关键问题

然而，高强度和韧性的合金开发主要存在以下问题：

1、目前开发的所有合金很少接近2 GPa的屈服强度

几个世纪以来，人们一直在追求高强度和韧性的合金。然而，对于迄今为止开发的所有合金，包括最近的高熵合金，那些具有良好拉伸延展性的合金在室温下很少接近2 GPa的屈服强度。

2、高强度合金存在加工硬化能力不足与变形带问题

许多高强度合金加工硬化能力不足，易出现Lüders带或Portevin-Le Châtelier带。这导致单轴拉伸试验中观察到的均匀延伸率（ε_u）并非真正的均匀延伸，而是由变形带引起的锯齿状塑性流动组成。即使无Lüders带，均匀延伸率也较低。

新思路

有鉴于此，西安交通大学马恩教授、孙军院士、张金钰教授等人报告了一组精心设计的多主元素合金，其成分为Fe₃₅Ni₂₉Co₂₁Al₁₂Ta₃，通过领域知识引导的机器学习设计，可以加工成同时具有高强度和延展性的材料，达到前所未有的范围。这种协同作用提供了1.8 GPa的屈服强度和25%的真正均匀延伸率。通过不同寻常的大体积分数的共格L1₂纳米析出相和非共格B2微米颗粒将微观结构的不均匀性推向极致来实现强化。后者是多组分的，化学有序能降低，是一种可变形相，在内部积累位错，以帮助维持高应变硬化率，从而延长均匀延伸率。

技术方案：

1、设计了一种高性能的高熵合金

通过最大化原子尺寸失配、设计高比例L1₂纳米沉淀相和韧性B₂微沉淀物，实现了高强度和高延展性。经过四次迭代，成功开发出Fe₃₅Ni₂₉Co₂₁Al₁₂Ta₃合金，表现出优异的屈服强度和均匀延伸率。

2、研究了高熵合金HEA05的微观结构

研究聚焦于高熵合金HEA05，通过与Al和Ta的高度合金化，成功引入了高体积分数的L1₂共格纳米MCIP和B₂非共格微米MCIP。

3、解析了高熵合金HEA05的卓越机械性能和潜在机制

作者证实了高熵合金HEA05因其独特的微观结构展现出卓越的机械性能，其性能提升归因于Ta强化的L1₂纳米MCIP、高延展性的B₂相以及异质变形诱导硬化机制，显著优于传统合金。

技术优势：

1、基于机器学习设计，高效筛选出多主元素合金

研究结合了特定领域的知识与机器学习方法，高效筛选出具有理想性能的多主元素合金。这种方法显著缩小了组成空间，提高了模型性能，最终实现了前所未有的屈服强度和均匀延展性组合，覆盖了传统块体合金无法达到的性能领域。

2、同时实现了合金的高强度和高延展性

通过设计包含大量共格L1₂纳米析出相和非共格B₂微米颗粒的微观结构，合金实现了高强度和高延展性。B₂相可积累位错并维持高应变硬化率，延长均匀延伸率。这种协同作用使合金达到1.8 GPa的屈服强度和25%的真正均匀延伸率。

技术细节

面向组分设计的主动学习

研究通过领域知识和机器学习方法设计了一种高性能的高熵合金（HEA）。领域知识包括：（1）通过最大化原子尺寸失配实现显著的固溶强化；（2）设计高比例的强L1₂共格纳米沉淀相，通过高含量的Al和Ta促进L1₂相的生成，提高沉淀强化效果；（3）在高Al浓度下引入韧性B₂非相干微沉淀物，这些多组分MCIP能够容纳大量位错活动，促进高应变硬化率（WHR）和均匀延伸。研究从包含140个FCC HEA的数据集开始，通过主动学习迭代循环优化合金成分。经过四次迭代，八种新合成合金中有六种显示出更高的屈服强度（σ_y）。最终确定的Fe₃₅Ni₂₉Co₂₁Al₁₂Ta₃合金（HEA05）表现出最高的σ_y。实验结果验证了机器学习模型的高可靠性和稳定性，展示了通过领域知识引导的机器学习在合金设计中的高效性和优越性。

图  基于领域知识的超强韧FeNiCoAlTa HEAs发现机器学习模型

双析出微观结构

研究聚焦于性能最佳的高熵合金HEA05（Fe₃₅Ni₂₉Co₂₁Al₁₂Ta₃），并将其与其他基础合金（如A0、纯Al合金化和仅Ta合金化）进行对比。HEA05在750℃下处理1小时后表现出优异性能。通过与Al和Ta的高度合金化，HEA05成功引入了高体积分数（66.6%）的L1₂共格纳米MCIP（尺寸约15 nm）和低模量但难以变形的B₂非共格微米MCIP（尺寸约350 nm，体积分数15%）。这些沉淀相均匀分布在平均晶粒尺寸为7.6 µm的FCC基体中。元素分配显示，Ta、Al和Ni主要集中在L1₂纳米MCIP中，而Al和Ni主要集中在B₂微米MCIP中，Fe和Co则在两种沉淀相中显著贫化。

图  HEA05合金的组织特征及成分分布

卓越的机械性能

作者揭示了高熵合金HEA05（Fe₃₅Ni₂₉Co₂₁Al₁₂Ta₃）的卓越机械性能，其在FCC基体中具有高体积分数的L1₂共格纳米MCIP和B₂非共格微米MCIP。与单元素合金化相比，HEA05展现出更高的屈服强度（1.75 GPa）和显著提升的均匀延伸率（25%），以及高达3 GPa的真实应力和高应变硬化率（WHR）。这种性能的提升归因于以下机制：（1）Ta合金化强化了L1₂纳米MCIP；（2）高比例的B₂相具有延展性和应变硬化能力；（3）复杂的微观结构促进了位错增殖和非均匀变形，导致异质变形诱导（HDI）硬化。实验结果表明，HEA05合金在宽应变范围内维持高WHR，表现出优异的成形性和抗断裂能力，优于传统合金和高性能钢。

图  Fe₃₅Ni₂₉Co₂₁Al₁₂Ta₃HEA05合金的力学性能

图  HEA05合金中位错密度随拉伸应变的演化

展望

总之，本研究开发了一种具有高度异质微观结构的高熵合金（HEA），其包含致密的MCIP、共格L1₂纳米沉淀物和不连贯的B₂颗粒。这些结构不仅强化合金，还通过与位错大量相互作用维持高应变硬化率（WHR），实现2 GPa的屈服强度和高延展性。这种设计策略通过主动学习引导的合金化和大量沉淀物，有望适用于其他合金系统，推动材料性能极限，满足苛刻应用需求。

参考文献：

Sohail, Y., Zhang, C., Xue, D. et al. Machine-learning design of ductile FeNiCoAlTa alloys with high strength. Nature (2025).