中國工程物理研究院李晉鋒科研團隊通過亞穩態工程策略強韌化脆性軟磁多主元合金

稀、飯 2周前 (05-29) 310瀏覽

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軟磁合金作為電機、變壓器等電力設備的核心材料，應具備高磁導率、低矯頑力等性能從而實現能量的高效轉化，同時還需承受高速運轉時引起的機械應力。然而，傳統軟磁合金面臨著“強度高則脆，韌性好則軟”的困境。如何讓軟磁合金既強又韌，還能保持優異的磁學性能是目前亟待解決的共性難題。

中國工程物理研究院材料研究所李晉鋒團隊在《Applied Physics Letters》發表題為“Achieving strength–ductility trade-off of brittle?soft magnetic multi-principal element alloy?via metastability engineering”最新研究，成功通過“亞穩態工程”策略，在Fe-Co-Ni-Al-Ti-Ta多主元合金中實現了強度－塑性－軟磁性能的協同！該合金的拉伸強度達到1.65 GPa，同時保持15%的延伸率，飽和磁化強度為131 emu/g，矯頑力低至12.5 Oe，電阻率為116 μΩ·cm，突破了傳統軟磁合金難以兼顧力學性能與磁性能的瓶頸。

研究團隊通過熱機械處理（TMP）工藝，包括高溫軋制與快速淬火，消除了鑄態合金中的微米級BCC非磁性相，并在FCC基體中析出納米級L1?相。透射電鏡分析顯示，L1?相的尺寸約為6.5 nm，體積分數達15.6%。這些納米析出相通過Orowan機制阻礙位錯運動，將合金屈服強度提升至760 MPa。與此同時，L1?相的尺寸遠小于磁疇壁厚度（約113 nm），避免了磁疇釘扎效應，從而保持了低矯頑力與高磁導率。

此外，該合金在變形過程中能夠誘發相變誘導塑性（TRIP）機制，使合金從面心立方（FCC）結構向體心立方（BCC）結構動態轉變。應力誘導的TRIP效應不僅能夠使合金的塑性得到顯著提升，還能通過FCC-BCC相界的界面硬化效應提升強度。實驗表明，隨著拉伸應變量的增加，BCC相的體積分數不斷上升，并維持超高的加工硬化率（峰值約8 GPa）。

該研究為開發兼具高強韌與優異軟磁性能的多主元合金提供了新思路。相較于傳統TRIP合金或單相多主元合金，該合金在維持低矯頑力的同時，實現了700 MPa以上的屈服強度和超過15%的拉伸塑性，展現出在高效電機、新能源變壓器等領域的應用潛力，為后續高性能磁性材料的設計與工程化奠定了基礎。

論文主要圖片如下:

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圖1.?TMP合金的力學性能和磁性能分析。（a）：TMP合金的拉伸應力-應變曲線；（b）：TMP合金的加工硬度曲線；（c）和（d）：變形前后TMP合金的磁滯回線；（e）：屈服強度和矯頑力與其他SMMEPA的對比統計；（f）：屈服強度和飽和磁化強度與其他SMMEPA的對比統計

圖2.?TMP合金的組織結構和元素分布分析。（a）和（b）：TMP合金的EBSD極圖和相圖；（c）TMP合金的TEM-BF圖像；（d）：TMP合金的高倍TEM-BF圖像和（e）：與圖（d）對應的SAED圖；（f）：L12納米粒子的TEM-CDF圖像；（g）和（h）：TMP合金的HR-TEM圖像；（i）：對應圖（h）??xx方向的GPA云圖；（j）：TMP合金的TEM-EDS圖。

圖3.?TMP合金在不同變形條件下的EBSD表征以分析TMP合金在變形過程中應力誘導的TRIP機制

圖4.?TMP合金在10%拉伸變形后的TEM分析。（a）和（b）：TEM-BF圖像；（c）：相變前端的TEM-BF圖像；（d）和（e）：相變區域的TEM-BF圖像；（f）：FCC-BCC相邊界的HR-TEM圖像；（g）：對應圖（f）??xx方向的GPA云圖。（h）：TMP合金的HR-TEM圖像；（i）：對應圖（h）??xx方向的GPA云圖

 

團隊介紹：

中國工程物理研究院材料研究所與電子科技大學聯合培養董培林博士和中國工程物理研究院材料研究所與新疆大學聯合培養黃留飛博士為論文共同第一作者；中國工程物理研究院材料研究所李晉鋒副研究員和電子科技大學鐘智勇教授為論文共同通訊作者；其他合作者包括：中國工程物理研究院材料研究所趙曉沖研究員、楊秋菊博士；中國工程物理研究院材料研究所、大連理工大學蔡選鴻博士；西南交通大學趙小軍副研究員；桂林電子科技大學馬壘研究員。

 

文章信息：

Achieving strength–ductility trade-off of brittle?soft magnetic multi-principal element alloy?via metastability engineering

Peilin Dong, Liufei Huang, Qiuju Yang, Xuanhong Cai, Xiaojun Zhao, Lei Ma,?Xiaochong Zhao, Zhiyong Zhong, and Jinfeng Li

Appl. Phys. Lett. 126, 171905 (2025); doi: 10.1063/5.0258067

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