多主元素合金(MPEA)在快速凝固过程中表现出极高的稳定性，使其成为增材制造的理想材料。但MPEA的失效往往与传统金属相似，其沿相或晶界的应变局部化导致典型的裂纹萌生。现阶段大多数方法是通过减少应变局部化、抑制高能位置的形成或者在裂纹尖端分散能量以增强韧性，很少实现强韧性的协同。

近日北京理工大学研究人员受小鼠牙釉质微观结构的启发，纳米体心立方(BCC)和面心立方(FCC)相被引入到MPEA中，稳定在相界上，为位错介导的变形提供了充足的塑性空间。这种方法克服了纳米级合金的局部硬化限制，并协调了传统的增韧机制，以减轻应变局部化。该研究以“Mitigating Strain Localization via Stabilized Phase Boundaries for Strengthening Multi-Principal Element Alloys”为题被发表在期刊《Advanced Science》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202414783

【核心内容】

该研究为解决多主元合金（MPEA）应变局部化导致的强度与韧性难以兼顾问题，借鉴了老鼠牙釉质“软硬交替纳米片层”结构，设计并制备出双纳米相的新型合金AM-Nano，通过稳定相界面实现性能突破，其拉伸强度和延伸率分别约为1458.1MPa和21.2%，强塑积约30.91GPa・%。

【研究方法】

该研究基于凝固热力学计算方法确定了合金的成分为Co₁₇Cr₁₆Fe₁₆Ni₃₄Al₁₇，采用激光粉末床熔融（L-PBF）制备出了含FCC/BCC双纳米相的AM-Nano合金，同时制备铸造粗晶、温轧退火超细晶样品作对比。通过XRD、EBSD和TEM来表征微观结构，原位SEM/EBSD观测拉伸中变形与应力分布。用LAMMPS进行分子动力学模拟追踪位错转移，VASP开展密度泛函理论计算分析相界应力缓解机制，同时结合Ashby图量化性能优势，验证合金设计与强化机制。

【研究成果】

① 力学性能突破

该研究制备的AM-Nano合金拉伸强度和延伸率分别达到了1458.1MPa和21.2%，强塑积为30.91GPa・%，能量吸收能力相比于传统合金被显著提升，其强韧性的平衡优于多数多主元合金、先进高强度钢和钛合金，避免了传统纳米结构金属“强而脆”的问题。

Co₁₇Cr₁₆Fe₁₆Ni₃₄Al₁₇多主元素合金微观组织和拉伸力学性能

② 核心机制揭示

双相稳定相界促进了位错在FCC和BCC相之间的持续转移，减少了晶格缺陷堆积和应变集中。另外，其通过裂纹偏转以及桥接作用耗散了裂纹扩展能量，可显著缓解应变局部化，原子计算证实了部分原子面迁移驱动位错跨相传递。

AM-Nano减轻应变局部化和微裂纹过程

在应变不同的情况下，AM-Nano的半原位TEM和大规模分子动力学模拟结果

AM-Nano在拉伸变形过程中的力学响应和失效模式

AM-Nano相边界的DFT稳定性评估

【总结与展望】

该研究通过借鉴老鼠的牙釉质结构并使用激光粉末床熔融技术制备出含FCC/BCC双纳米相且相界稳定的多主元合金AM-Nano，打破了MPEA的强韧性矛盾，不需要后处理并且性能相较于多数传统合金更优，为仿生高性能材料设计与增材制造应用提供新方向。