高性能金屬絲材廣泛應用于能源、交通、海洋船舶、國防等領域。日趨復雜和極端的服役環境迫切需要發展高強塑性能的金屬絲材。然而傳統的高強合金絲材（如珠光體鋼絲）通常伴隨極低延性，這種強度-塑性的固有互斥（trade-off）嚴重限制其應用。近年來基于全新合金設計理念的多主元高熵合金的迅速興起，為高性能金屬絲材的開發提供了十分迷人的機會。

近期，中科院力學所戴蘭宏研究團隊在該問題研究上取得新進展。研究人員選擇了具有片層結構的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，通過精心設計多道次拉拔工藝，成功制備出一種具有獨特梯度片層結構的共晶高熵合金毫米絲材。絲材內硬相B2片層與軟相FCC片層交替相間分布，從絲材外表面到芯部，B2片層幾何特征呈現梯度變化 (圖1)。為了進一步提高絲材的強塑性協同能力，研究人員精細控制了熱處理的溫度和時間，以促進絲材部分回復而抑制動態再結晶的出現。所研制的共晶高熵合金絲材不僅具有非常優異的室溫強塑性能 （斷裂強度1.85GPa，均勻延伸率12.1%），同時表現出更為突出的低溫(77 K)強塑性能（斷裂強度2.52GPa，均勻延伸率14.3%） (圖2)。通過對變形前后的絲材進行EBSD掃描和KAM分析，研究人員發現介觀尺度梯度非均質片層結構促使絲材內的幾何必須位錯(GND) 在變形過程中沿徑向呈現梯度分布，即幾何必須位錯密度從表面區域向中心區域逐漸減小(圖3)。這種梯度分布的幾何必須位錯密度可以產生顯著的應變梯度強化效應，從而大幅提高絲材的力學性能。對比分析室溫和液氮低溫下絲材微觀變形特征發現，室溫下絲材內B2相變形以位錯主導，FCC相變形則以位錯和層錯共同主導(圖4)；低溫下絲材內B2相在變形過程中開啟了大量位錯交滑移網格，而FCC相則激活了細密的三維層錯-孿晶網格(圖5)，多種位錯變形機制的協同激活實現了絲材強塑性的同步提升。本項研究為高性能金屬絲材開發提供了新的思路。

該研究成果近期以“Ultra-strong heavy-drawn eutectic high entropy alloy wire”為題發表在Acta Materialia 243 (2023) 118515，博士生陳金璽和李統為論文共同第一作者。該項研究工作得到了國家自然科學基金“無序合金的塑性流動與強韌化機理”重大項目、“非線性力學的多尺度問題”基礎科學中心項目、中科院B類戰略性先導科技專項“復雜介質系統前沿與交叉力學”項目等資助。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118515