中国工程物理研究院李晋锋科研团队通过亚稳态工程策略强韧化脆性软磁多主元合金

稀、饭 3天前 189浏览

 

软磁合金作为电机、变压器等电力设备的核心材料，应具备高磁导率、低矫顽力等性能从而实现能量的高效转化，同时还需承受高速运转时引起的机械应力。然而，传统软磁合金面临着“强度高则脆，韧性好则软”的困境。如何让软磁合金既强又韧，还能保持优异的磁学性能是目前亟待解决的共性难题。

中国工程物理研究院材料研究所李晋锋团队在《Applied Physics Letters》发表题为“Achieving strength–ductility trade-off of brittle soft magnetic multi-principal element alloy via metastability engineering”最新研究，成功通过“亚稳态工程”策略，在Fe-Co-Ni-Al-Ti-Ta多主元合金中实现了强度－塑性－软磁性能的协同！该合金的拉伸强度达到1.65 GPa，同时保持15%的延伸率，饱和磁化强度为131 emu/g，矫顽力低至12.5 Oe，电阻率为116 μΩ·cm，突破了传统软磁合金难以兼顾力学性能与磁性能的瓶颈。

研究团队通过热机械处理（TMP）工艺，包括高温轧制与快速淬火，消除了铸态合金中的微米级BCC非磁性相，并在FCC基体中析出纳米级L1₂相。透射电镜分析显示，L1₂相的尺寸约为6.5 nm，体积分数达15.6%。这些纳米析出相通过Orowan机制阻碍位错运动，将合金屈服强度提升至760 MPa。与此同时，L1₂相的尺寸远小于磁畴壁厚度（约113 nm），避免了磁畴钉扎效应，从而保持了低矫顽力与高磁导率。

此外，该合金在变形过程中能够诱发相变诱导塑性（TRIP）机制，使合金从面心立方（FCC）结构向体心立方（BCC）结构动态转变。应力诱导的TRIP效应不仅能够使合金的塑性得到显著提升，还能通过FCC-BCC相界的界面硬化效应提升强度。实验表明，随着拉伸应变量的增加，BCC相的体积分数不断上升，并维持超高的加工硬化率（峰值约8 GPa）。

该研究为开发兼具高强韧与优异软磁性能的多主元合金提供了新思路。相较于传统TRIP合金或单相多主元合金，该合金在维持低矫顽力的同时，实现了700 MPa以上的屈服强度和超过15%的拉伸塑性，展现出在高效电机、新能源变压器等领域的应用潜力，为后续高性能磁性材料的设计与工程化奠定了基础。

论文主要图片如下:

  

图1. TMP合金的力学性能和磁性能分析。（a）：TMP合金的拉伸应力-应变曲线；（b）：TMP合金的加工硬度曲线；（c）和（d）：变形前后TMP合金的磁滞回线；（e）：屈服强度和矫顽力与其他SMMEPA的对比统计；（f）：屈服强度和饱和磁化强度与其他SMMEPA的对比统计

图2. TMP合金的组织结构和元素分布分析。（a）和（b）：TMP合金的EBSD极图和相图；（c）TMP合金的TEM-BF图像；（d）：TMP合金的高倍TEM-BF图像和（e）：与图（d）对应的SAED图；（f）：L12纳米粒子的TEM-CDF图像；（g）和（h）：TMP合金的HR-TEM图像；（i）：对应图（h）��xx方向的GPA云图；（j）：TMP合金的TEM-EDS图。

图3. TMP合金在不同变形条件下的EBSD表征以分析TMP合金在变形过程中应力诱导的TRIP机制

图4. TMP合金在10%拉伸变形后的TEM分析。（a）和（b）：TEM-BF图像；（c）：相变前端的TEM-BF图像；（d）和（e）：相变区域的TEM-BF图像；（f）：FCC-BCC相边界的HR-TEM图像；（g）：对应图（f）��xx方向的GPA云图。（h）：TMP合金的HR-TEM图像；（i）：对应图（h）��xx方向的GPA云图

 

团队介绍：

中国工程物理研究院材料研究所与电子科技大学联合培养董培林博士和中国工程物理研究院材料研究所与新疆大学联合培养黄留飞博士为论文共同第一作者；中国工程物理研究院材料研究所李晋锋副研究员和电子科技大学钟智勇教授为论文共同通讯作者；其他合作者包括：中国工程物理研究院材料研究所赵晓冲研究员、杨秋菊博士；中国工程物理研究院材料研究所、大连理工大学蔡选鸿博士；西南交通大学赵小军副研究员；桂林电子科技大学马垒研究员。

 

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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