針對環境問題，超高強度結構材料的需求一直在穩步增長。馬氏體時效合金通過減少點陣缺陷和形成金屬間析出相而具有較高的抗拉強度和斷裂韌性。半共格析出相是表現超高強度的關鍵；然而，它們仍然只能獲得有限的加工硬化和均勻的延性。

在此，來自韓國首爾大學的Seok Su Sohn等研究者展示了一種涉及變形半共格沉淀物及其動態相變的策略，該策略基于兩種有序相之間窄而穩定的間隙。相關論文以題為“Doubled strength and ductility via maraging effect and dynamic precipitate transformation in ultrastrong medium-entropy alloy”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35863-z

馬氏體是結構材料中通過剪切或位移相變形成的一種非常堅硬的微觀成分，最初是由德國科學家馬丁斯在淬火鋼中發現的。馬氏體的技術重要性，主要來自其基于層次子結構的高強度，而在大多數碳鋼中，馬氏體顯微組織經過回火，通過增加延展性而降低強度來賦予更大的韌性。馬氏體時效合金(馬氏體+時效)是一類特殊的低碳鋼，可阻礙脆性碳化物的形成，在保持較高延展性的同時，實現強度和韌性的理想組合。馬氏體時效，可以通過減少馬氏體相變過程中形成的晶格缺陷來恢復延性，并通過形成納米級金屬間沉淀物來利用額外的硬化效應，而不是像含碳回火馬氏體中那樣形成各種碳化物。然而，引入大的共格應變和非均勻分布的半共格析出相可能導致裂紋萌生，這是一把雙刃劍。此外，由于商業馬氏體時效合金的屈服強度為2吉帕斯卡(GPa)或更高，由于加工硬化有限，其均勻延性限制在~2%，因此，需要進一步提高強度和加工硬化才能得到廣泛應用。

動態相變被稱為相變誘導塑性(TRIP)，是克服有限加工硬化的可行策略。在機械變形作用下，由相對柔軟的母相轉變為堅硬的馬氏體，導致高加工硬化和延遲頸縮現象。因此，人們對TRIP效應進行了深入研究，以獲得堅韌的結構材料。動態相變是通過基于知識的化學成分修改來實現的，以縮小母相和產生的馬氏體之間的相穩定性差距。然后，在使用溫度下，機械加載和變形可以啟動馬氏體相變。然而，這種設計概念的局限性是固有的軟母相，典型的無序面心立方(fcc)相。與硬馬氏體相比，該相在較低的應力水平下開始塑性變形，最終導致較低的屈服強度。

在此，研究者展示了一種利用多用途半共格析出相作為有效位錯障礙的策略，同時也追求動態析出相轉變，以顯著提高初始硬馬氏體FeCo_0.8V_0.2中熵合金(MEA)作為模型合金的屈服強度和加工硬化行為。MEAs，作為高熵合金(HEAs)的一個亞類，多主元素合金，或組成復雜的合金，通常由3-4個元素在高濃度下組成，其中高構型熵支持固溶相而不是金屬間化合物的形成。這些合金表現出優異的力學性能，這是由于組成元素的原子體積和電負性差異較大，而導致的高固溶強化或嚴重的晶格畸變。基于該強矩陣，通過Ab initio計算選擇了發生動態轉變的析出相，結果表明，50Co-25Fe-25V析出相在hP24 (Al3Pu型)(有序六方密堆(hcp)結構)和L12(有序fcc結構)之間的相穩定性差異不明顯。窄的穩定間隙最終導致了結構選擇的靈活性取決于成核部位；hP24位于基體中，L1₂位于晶界。基體內的hP24主要作為位錯障礙，晶界處的亞穩L1₂通過動態析出相轉變為hP24，提高了加工硬化速率。這種組合驅動了顯著的機械性能，導致強度(高達2.1 GPa)和均勻延展性(約4.0%)的兩倍增強。研究結果為合金設計提供了一種很有前景的思路，即針對具有較窄穩定間隙的多個半共格析出相，以促進超強韌結構材料的柔性析出行為和動態析出相轉變。

圖1 A3B1型(A:(Fe,Co)，B: V)相穩定性的第一性原理密度泛函理論(DFT)計算。

圖2 時效條件下析出物的特征。

圖3 合金的室溫力學性能。

圖4 24H合金的變形機理。

圖5 說明微觀結構演變的示意圖。

綜上所述，研究者展示了一種設計策略，通過可變形的hP24和可變形的L1₂ PPTs，可以獲得~2 GPa的超高強度和可接受的~4.0%的均勻伸長率。通過控制(Fe,Co)₃V中有序相的相對穩定性，賦予了亞穩性，從而實現了金屬間化合物的動態相變。與馬氏體合金相比，傳統TRIP合金的軟基體或無序第二相導致其屈服強度較低。因此，現有的初始硬質馬氏體基體和半共格金屬間化合物使屈服強度沒有下降，確保了超強金屬材料。除了強度外，該合金還通過采用內部PPTs中的SF形成和晶界PPTs中的TRIP效應克服了有限的加工硬化和塑性行為。這些復雜的冶金機制與簡單的熱處理建議，實現了高性能和承重的應用要求。研究者期望這些多重半共格析出相和動態析出相轉變，適用于下一代超強金屬材料的開發。