阿德萊德大學&悉尼大學Acta Mater.: 氮過飽和高熵合金，實現高強度高塑性

在材料科學領域，間隙原子如氮、氧和碳在改變金屬微觀結構和增強機械性能方面起著關鍵作用。然而，為了避免形成脆性陶瓷相，傳統間隙固溶合金中間隙元素的引入量通常小于2 at.%。

近期，澳大利亞阿德萊德大學謝宗翰和陳玉潔團隊和悉尼大學安祥海團隊成功研發了一種氮過飽和的高熵合金，該合金在機械性能方面表現出色。這項研究的核心是將含量高達28.9 at.% 的氮原子引入Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金中，從而實現顯著的固溶強化和相結構調整效果。盡管氮含量極高，這些合金仍保持固溶體相態，未形成氮化物。隨著氮含量的增加，合金的微觀結構經歷了從單一面心立方（FCC）相到雙相結構（FCC和六方密排（HCP）相），再回到主要為FCC相的轉變。

該合金表現出高達20 GPa的硬度，這一數值接近于陶瓷材料的硬度，但同時保持了優異的抗損傷性能和塑性變形能力。研究表明，這些卓越的機械性能歸因于高氮含量帶來的大規模固溶強化、層級雙相結構以及應力誘導的FCC到HCP相變及孿生。與傳統氮化物的脆性不同，這些氮過飽和高熵合金展現出類似于金屬材料的顯著塑性變形能力，為提升合金的機械性能開辟了新的途徑。

本研究成果以“Interstitial Engineering Enabling Superior Mechanical Properties of Nitrogen-Supersaturated Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀ High-Entropy Alloys“ 為題發表在國際著名期刊《Acta Materialia》上。論文第一作者為澳大利亞阿德萊德大學的陳玉潔博士，通訊作者為Jisheng Ma博士（莫納什大學）和安祥海博士（悉尼大學）。其他作者還包括林悅鋮博士生（阿德萊德大學）、Yvonne Hora（莫納什大學）、Ashley Slattery博士（阿德萊德大學）、周志烽博士（香港城市大學）和謝宗翰教授（阿德萊德大學）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120214

圖1. (Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)N_x 高熵合金中 (a) 氮和(b)金屬元素的原子濃度隨著氮氣流率R_N的變化情況。(c) STEM/EDS和(d) STEM/EELS元素分布圖，顯示了在N20樣品中Fe、Mn、Co、Cr和N的均勻分布。

圖2. (Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)N_x 高熵合金的 (a₁-e₁) 明場TEM圖像，(a₂-e₂) 相應的SAED，以及 (a₃-e₃) HAADF STEM圖像，展示了隨著氮含量增加，樣品的相結果從單一的FCC結構轉變為雙相FCC和HCP結構，最終變為以FCC相為主的結構。

圖3. (Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)N_x 高熵合金的機械性能。

圖4. 樣品N4在壓痕測試變形后的微觀結構。(a)高度變形區域的低倍截面STEM圖像，顯示出變形孿晶（用箭頭標出）。(b, c) 高分辨HAADF-STEM圖像，顯示變形誘導的FCC納米孿晶。 (d) 高分辨HAADF-STEM圖像，顯示由Shockley分位錯（用紅色“L”標出）實現的變形孿生。

圖5. 樣品N15在壓痕測試后的微觀結構表征。(a) 高度變形區域的低倍截面STEM圖像。(b) 高分辨率HAADF-STEM圖像，顯示(a)中紅框區域的全HCP結構。(c) 高分辨率HAADF-STEM圖像，顯示(a)中藍框區域的全HCP結構。說明變形過程中發生FCC到HCP相變。(d) 放大的HAADF-STEM圖像，顯示(c)中黃框區域的Shockley分位錯。

圖6. 微觀結構隨氮含量變化的示意圖，以及在N4和N15中觀察到的變形誘導的FCC孿晶和FCC到HCP相變。