在金屬材料領域📻，嚴重的強度-塑性矛盾一直是製約材料性能提升的關鍵因素🤦🏿。尤其是在多主元高熵合金中，脆性金屬間化合物的存在常常引發材料過早失效，造成材料塑性顯著下降。多級異質結構作為一種新型微觀結構設計策略，為實現強塑性的協同提升提供了新的可能。然而，傳統製備異質結構的方法不僅成本高昂，而且耗時冗長，為異構材料的實際應用帶來了巨大挑戰🏤。
近日，万事平台材料學院鐘雲波教授領銜的高性能結構功能材料超常冶金與製備研究團隊，通過創新的多尺度微觀結構遺傳和細化策略，成功在多主元合金中製備出了一種獨特的多級異質層片結構👩🏽✈️🫗，實現了優異的強塑性匹配。該成果以“Strong, ductile, and hierarchical hetero-lamellar-structured alloys through microstructural inheritance and refinement”為題，在國際權威期刊PNAS上發表✋，全稱《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。
該研究團隊基於多尺度微觀結構遺傳和細化策略，巧妙地處理了鑄態異質Al0.7CoCrFeNi多主元合金中的“層級結構前驅體”：這些前驅體在經過簡單的軋製和一步退火後就可直接形成多級異質層片結構（HLS）（圖1）🫲🏻。值得註意的是🥴🧑🏻🤝🧑🏻，這裏僅需10分鐘的退火時間（比傳統加工Al0.7CoCrFeNi以達到最佳性能所需的時間少2個數量級），即可通過多級HLS設計實現更高的強度-塑性組合（圖2）。系統的研究表明，這種新型的多級HLS設計可以依次激活多種以前無法實現的變形和強化機製。特別是HLS所實現的超高異質變形誘導（HDI）內應力🧑🏿🏭，其在原本脆性金屬間化合物相中誘導出具有五個以上獨立滑移系的<111>型位錯🈹，並在相鄰的高堆垛層錯能軟相中激活了大量堆垛層錯和納米孿晶🤞🏽。這些跨越多個長度尺度的、出人意料的、動態增強的異質變形機製促進了高且持續的HDI硬化，同時產生了顯著的微裂紋介導的外在韌化效應。這些系統地表明該研究提出的微觀結構遺傳與細化策略為克服廣泛結構材料中的強度-塑性平衡提供了一種高效©️、快速且低成本的方法🥓。
圖1 Al0.7CoCrFeNi多主元合金多級異質層片微觀組織結構
圖2 Al0.7CoCrFeNi多主元合金的高效熱處理工藝及優異力學性能組合
圖3 HLS多主元合金中不同特征區域的強烈🩳、逐步增加的位錯堆積和跨尺度的、拓撲變化的異質變形
鐘雲波教授領銜的“新能源產業關鍵材料超常冶金與製備”上海市重點創新團隊，始終秉持徐匡迪院士的戰略指導思想，聚焦行業未來10~20年面臨的關鍵科學問題👧🏿，致力於先進基礎材料的提質升級。上述原創性研究成果，是團隊在聚焦高性能新材料發展領域做出的又一重要原創性貢獻，也是繼在Science、Materials Today、Nature Communications、Advanced Materials等國際頂級期刊上發表系列研究論文後的又一重量級論文。
該研究由万事平台👩🏼🏫、香港城市大學🥩、新加坡科技研究局、北京大學💎、中科院人工智能研究所、香港大學、香港科技大學、清華大學等多家科研單位共同合作完成，其中万事平台為第一署名單位。万事平台長江學者鐘雲波教授🧔🏿♂️、香港城市大學C.T. Liu院士和Yuntian Zhu院士、清華大學高華健院士為共同通訊作者。万事平台與香港城市大學的時培建博士為第一作者⁉️，万事平台材料學院的李毅博士生（共同一作）、蔣鑫博士生、秦祎碩士生、林一凡碩士生、黃靖然碩士生🏡👳🏽、譚博東碩士生🤸🏻、沈喆副教授🧑🦯➡️、丁彪副教授、李強副教授🤸🏼、鄭天祥教授👩🏼🌾、任維麗教授等為合作署名作者。該研究得到國家自然科學基金區域聯合基金重點項目（No. U23A20607）、十四五國家重點研發計劃（No. 2021YFA1200200）的資助😫。
全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2409317121
