金属材料的“脆性”是工程应用的“大敌”。在钢铁、高温合金、铝合金等传统材料中，不合理的热处理往往诱发材料脆化，如回火脆性和中温时效脆性，其典型特征是在狭窄温区内韧性显著下降，严重威胁工程结构的安全服役。
传统合金的中温（回火）脆性研究已持续百年，其机制主要归因于晶界弱化。经典理论认为，杂质元素（如S、Bi、P、As等）在晶界偏聚，以及粗大晶界析出相的形成，显著降低了晶界内聚力，使晶界成为裂纹萌生与扩展的“薄弱环节”。
近年来，高熵合金（多主元合金）因其独特的成分和性能备受关注。一个重要问题是，其复杂的成分和特殊的热动力学行为是否会引发类似的甚至更复杂的脆化行为？揭示其热响应规律和机制，对高熵合金的热处理工艺优化和工程应用具有重要意义。
近日，中国科学院金属研究所李殿中院士和孙明月研究员团队在高熵合金体系中发现了类似钢中“回火脆性”的“韧-脆-韧”转变现象，并厘清高熵合金中温脆化的成因并非传统的晶界效应，而是源自于局部有序结构和相界的动态演变，拓展了对传统回火脆性经典理论的认知。相关成果以“Aging-Induced Ductile-Brittle-Ductile Transition in High-Entropy Alloys and its Implications”为题，发表于《先进科学》（Advanced Science）杂志上。孙明月研究员和谢碧君博士为论文的共同通讯作者，博士研究生代乾宁为第一作者。
研究团队结合多尺度表征、第一性原理计算及深入分析，系统揭示了高熵合金的“韧-脆-韧”转变机制。1）L12过有序+锯齿状相界的协同脆化：研究表明，中温时效诱导L12发生过有序化，同时形成锯齿状的B2/FCC(L12)相界。一方面，L12过有序导致高度局域化的平面滑移带；另一方面，锯齿状的非共格相界严重阻碍位错跨越界面滑移，导致界面处产生应力集中。当高度局域化的平面滑移带冲击这些滑移传递不利的相界面时，局部应力迅速超过B2相的断裂极限，诱发脆性断裂。2）L12有序度降低+韧性过渡界面的协同韧化：在非脆性温度区间时效时，高扩散能力使得L12有序度降低，激活多滑移与交滑移，显著提升合金的均匀变形能力。更关键的是，锯齿状界面转变为平滑界面，并在B2/FCC(L12)相界附近形成富Cr析出相缺失区（CRPs-free zone）。该区域内的富Cr相（CRPs）在热作用下溶解消失，形成韧性过渡区，使B2相边缘与FCC(L12)基体的变形能力更为匹配，有效缓解界面应力集中。从而显著抑制局域变形和脆性开裂倾向，展现出优异的强塑性。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院等项目的资助。
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图1. 时效高熵合金力学性能及相界结构
图2. 高熵合金“韧-脆-韧”转变不同阶段的L12 domain结构
图3. 高熵合金局部化学有序的APT表征及第一性原理计算
图4. 高熵合金变形机制和断裂行为
图5. 高熵合金局部化学有序-相界协同机制
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