幾個世紀(jì)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(fā)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(shù)幾個這樣做的大多是超高強度鋼；然而，它們的應(yīng)力-應(yīng)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(wěn)定性(如呂德斯應(yīng)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(xué)馬恩、張金鈺、孫軍共同通訊在Nature在線發(fā)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(shè)計的多主元素合金，其成分為Fe35Ni29Co21Al12Ta3，通過基于領(lǐng)域知識的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計，可以被加工以達(dá)到前所未有的同時具有高強度和延展性的范圍。

這種協(xié)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?jǐn)?shù)的凝聚L12納米沉淀物，而且通過非凝聚B2微粒，將微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性推到了極致，從而實現(xiàn)了強化。后者是多組分的，具有降低的化學(xué)有序能，是一種可變形相，它在內(nèi)部積累位錯，以幫助維持高應(yīng)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(yīng)用至關(guān)重要。目前僅少數(shù)超高強鋼的塊體屈服強度（σy）能夠達(dá)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(dǎo)致其標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)典的第二相強化機(jī)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?jǐn)?shù)（常常<50 vol.%），并造成拉伸塑性急劇降低。因此，如何設(shè)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(xué)領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

基于領(lǐng)域知識的機(jī)器學(xué)習(xí)模型用于發(fā)現(xiàn)超強韌性FeNiCoAlTa HEAs（圖源自Nature）

該研究開發(fā)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(jié)構(gòu)，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(wěn)定加工硬化率至較大應(yīng)變范圍。特別是可變形的B2析出相通過位錯積聚進(jìn)一步提升了加工硬化能力。最終，該合金實現(xiàn)了2GPa的屈服強度與優(yōu)異的均勻延展性，性能超越傳統(tǒng)高強鋼，接近純金屬的延展表現(xiàn)。研究人員通過重度合金化與高密度析出相強化的設(shè)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(yīng)用中的材料選擇范圍。

參考信息：

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