多组元复杂协同实现高的基体性能，高熵合金（HEAs）凭借这一独特的优势，近年来是金属合金材料的一大热门研究方向，但如何在基体的性能基础上进一步优化性能，是目前主要关注的内容之一，在FCC结构的高熵合金研究内容中，研究人员们一直追求能够同时提升强度、延展性与腐蚀抗力的优化策略，例如传统的马氏体相变增强虽能显著提高应变硬化，但往往带来塑性疲软与脆性断裂等问题。

中南大学李志明教授团队发现若是在Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀五元高熵合金中引入少量间隙C元素进行调控，实现了同时提升强度、延展性与耐腐蚀性能的突破性进展，团队将这一创新性的成果发表在了国际期刊《Materials Science & Engineering A》上，题为“Interstitials enable enhanced mechanical and anti-corrosion properties of a non-equiatomic quinary high-entropy alloy”，该研究成果为高性能高熵合金的设计提供了新的范式。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147970

【核心内容】

团队在非等原子比Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀高熵合金掺入了0.5at.% C后，C原子在合金内形成了间隙固溶体，团队针对性地研究了C原子带来的间隙强化，系统研究了其显著提升合金力学性能与腐蚀抗力的机理，最终通过多维度的表征手段发现C的加入在提高堆垛层错能（SFE）方面有显著效果，马氏体相变因此受到限制，从而激发更为细密的孪晶强化机制，还改善了材料的电化学行为，使合金在硫酸溶液中展现出更低的活性溶解电流密度和更优的钝化行为。

【研究方法】

在材料制备上，团队通过真空电弧熔炼法进行合金制备，并通过热轧与冷轧工艺处理后得到了不含碳和掺杂0.5at.%碳的两组高熵合金，随后将两种高熵合金分别在900 ℃（30min）与1100℃（40s）条件下退火，以获得晶粒尺寸相近的单一FCC结构。最终对得到的样品经过系统的实验流程和多尺度表征手段，全面揭示了间隙碳原子对Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀高熵合金力学与耐腐蚀性能的协同强化机制。

【研究成果】

① 微观结构无析出，晶格畸变增强

结果表明，两种合金均为单一的面心立方结构结构，但是团队发现在添加了C元素之后，合金在XRD测试中的衍射峰角度相比未掺C的合金略微移动了大约0.02°的范围，这种细微的转变恰恰表明了由于C的加入，合金内部的晶格畸变更加严重，晶格参数发生改变。通过XRD谱图计算，无C和掺C合金的晶格常数分别为3.5831Å和3.5879Å，碳在基体中溶解产生了更强的晶格畸变与应力场，增强了固溶强化效果。

C-free 与 C-doped 合金的初始微观结构，包括XRD、EBSD、相图和EDS分布图

② 力学性能同步提升

在相同晶粒尺寸下，由于C带来的固溶强化，使得合金的屈服强度提高了大约50MPa（239MPa提升至287MPa），延伸率也由78.3%提高到86.7%，展现出优异的强-塑性协同提高能力。

两种合金的应力-应变曲线与应变硬化行为对比

③ 变形机制迁移：TRIP→TWIP

0.5at.% 的C增加，使Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀ HEA的SFE由10mJ/m²提升至15mJ/m²，结果表明，掺C合金的主要变形机制转变为机械孪晶，缓解了“局部塑性”耗尽的困境，具有较好的塑性，在高达60%真应变下，未掺碳合金中的HCP相体积分数高达38.5%，主导机制为传统的马氏体相变；而C-doped合金几乎不发生HCP相变（<2.3%），取而代之的是细密均匀的机械孪晶，从而更好地维持塑性并避免局部开裂。随着应变增加，未掺碳合金中HCP相比例持续升高，最终达到47.5%；而掺碳合金中HCP含量始终低于3%。

60%拉伸变形下两种合金的EBSD相图与高分辨BSE图像

弱束暗场STEM下Shockley部分位错分离距离分析与SFE计算

不同应变下两种合金HCP相体积分数变化趋势

④ 腐蚀行为显著改善

电化学极化曲线表明，C-doped合金活化电流密度下降两个数量级（1.1×10^-3 A/cm² → 3.4×10^-5 A/cm²），表现出更早钝化和更宽广的钝化电位区间，说明其在硫酸溶液中具备更强的耐腐蚀性能。

C-free 与 C-doped 合金的循环极化曲线及电解液中金属离子浓度

【总结与展望】

这项研究揭示了间隙碳对非等原子五元HEA（Fe₄₀Mn₁₀Co₂₀Cr₂₀Ni₁₀）的力学和腐蚀行为的影响，通过精确掺杂0.5at.%的C，实现了“强-塑-腐蚀”三重性能协同优化，该策略为航空航天、海洋结构等严苛服役环境下的合金材料设计提供了创新性的新思路。