幾個世紀以來，人們一直在追求高強度且具有延展性的合金。然而，對于迄今為止開發的所有合金，包括最近的高熵合金，那些具有良好拉伸延展性的合金在室溫下很少接近2-GPa屈服強度。少數幾個這樣做的大多是超高強度鋼；然而，它們的應力-應變曲線顯示出平臺和鋸齒，因為它們的拉伸流動受到塑性不穩定性(如呂德斯應變)的影響，并且伸長率充其量是偽均勻的。

2025年6月18日，西安交通大學馬恩、張金鈺、孫軍共同通訊在Nature在線發表題為“Machine-learning design of ductile FeNiCoAlTa alloys with high strength”的研究論文，該研究報告了一組精心設計的多主元素合金，其成分為Fe35Ni29Co21Al12Ta3，通過基于領域知識的機器學習設計，可以被加工以達到前所未有的同時具有高強度和延展性的范圍。

這種協同作用的一個例子提供了1.8 GPa的屈服強度和25%的真正均勻伸長率。不僅通過大體積分數的凝聚L12納米沉淀物，而且通過非凝聚B2微粒，將微觀結構的不均勻性推到了極致，從而實現了強化。后者是多組分的，具有降低的化學有序能，是一種可變形相，它在內部積累位錯，以幫助維持高應變硬化速率，從而延長均勻伸長。

金屬材料的高屈服強度與拉伸塑性對于其工程應用至關重要。目前僅少數超高強鋼的塊體屈服強度（σy）能夠達到2 GPa水平，但它們在塑性變形過程中缺乏足夠的加工硬化能力，導致其標準單軸拉伸試驗中報道的均勻變形實際上是由局域變形帶引起的鋸齒塑性流變組成，并非真正的均勻延伸率（?u）。這些超高強鋼，例如馬氏體時效鋼的均勻延伸率通常很低（例如?u~5%）。盡管經典的第二相強化機制能夠有效地提升材料的屈服強度，但強化水平受限于合金中較低的第二相體積分數（常常<50 vol.%），并造成拉伸塑性急劇降低。因此，如何設計兼具屈服強度σy~2 GPa和均勻延伸率?u明顯高于10%的合金，是材料科學領域面臨的重大挑戰。

基于領域知識的機器學習模型用于發現超強韌性FeNiCoAlTa HEAs（圖源自Nature）

該研究開發了一種高性能高熵合金Fe35Ni29Co21Al12Ta3。該合金具有高度非均勻的顯微結構，包含大量L1?型相容納米析出物和低模量但堅硬的B2型不相容微米析出物，不僅大幅提升了強度，還能與位錯充分作用，保持超過2GPa的穩定加工硬化率至較大應變范圍。特別是可變形的B2析出相通過位錯積聚進一步提升了加工硬化能力。最終，該合金實現了2GPa的屈服強度與優異的均勻延展性，性能超越傳統高強鋼，接近純金屬的延展表現。研究人員通過重度合金化與高密度析出相強化的設計策略，為其它合金體系提供了新思路，推動材料在強度–延展性空間的極限，拓展了在極端應用中的材料選擇范圍。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09160-2