第一作者： Siwei Tang, Guangxiong Luo
通讯作者： Siwei Tang, Baishan Chen, Wensheng Liu, Chaoping Liang
通讯单位： 中南大学
摘 要
在金属材料领域，强度与塑性往往难以兼得，形成所谓的“强度-塑性倒置关系”。近日，中南大学的研究团队从古老的大马士革钢中汲取灵感，通过简单的真空熔炼与热处理工艺，在Cu-Au-Ag中熵合金中成功构筑了一种大马士革式的多尺度分级异质微观结构。该结构在从宏观到皮米的不同尺度上展现出独特的异质特征，包括微米级的相分离、纳米级的有序L1₂相以及原子级的化学短程有序（CSRO）。这种精巧的微结构设计使得该合金表现出卓越的综合力学性能，大尺寸样品的抗拉强度达到约500 MPa，同时保持了近40%的优异延伸率，显著优于传统的金、银、铜基合金。这项工作提出了一种通过调控原子亲和力来构筑多层级异质结构的新策略，为设计满足苛刻要求（如高性能电子封装）的新型高熵/中熵合金开辟了高效途径。
前 言
千年之前，古老的大马士革钢因其刀刃上独特的花纹和刚柔并济的卓越性能而闻名于世。其优异的力学特性源于铁匠们反复折叠锻打，形成了硬质相（渗碳体）和软质相（铁素体）交织的微观结构。然而，这种耗时费力的传统工艺难以满足现代工业对绿色、高效生产的需求。近年来，高熵/中熵合金（HEAs/MEAs）因其广阔的成分设计空间和独特的物理性能，为突破传统合金的性能瓶颈提供了新的方向。研究者们不再局限于单一的固溶体相，而是开始探索如何利用多相共存、有序/无序转变以及化学短程有序等现象，来协同提升材料的性能。
在此背景下，本研究旨在探索能否在简单的三元合金体系中，通过热力学驱动的自发相变，一步法构筑出类似大马士革钢的多尺度、多层次的异质结构，从而实现强度和塑性的完美协同。团队选择了经典的Cu-Au-Ag三元体系，该体系在电子封装等领域具有巨大的应用潜力。
结 果
要点1：大马士革式双相结构的构筑与表征
研究团队通过真空悬浮熔炼和简单的退火处理，制备了等原子比的CuAuAg中熵合金。在650°C退火时，合金会发生相分离，形成富铜（Cu-rich）和富银（Ag-rich）的两个面心立方（FCC）固溶体相。显微镜下可以清晰地看到黑白相间的条纹，形似斑马纹或大马士革花纹。进一步的透射电镜（TEM）和能谱（EDS）分析证实，这种条纹结构在亚微米尺度依然存在，主要是由Cu和Ag元素的交替富集形成的。这种自发形成的层状结构为实现硬/软相交织的复合强化奠定了宏观基础。
要点2：纳米层片异质结构
当研究尺度深入到纳米级别时，团队在富铜相的基体中发现了新的惊喜。高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像揭示了在富铜相内部析出了大量鱼鳞状的纳米条纹。通过快速傅里叶变换（FFT）和高分辨成像分析，确认这些纳米条纹是有序的L1₂相（类似于Cu₃Au），它们与周围的FCC基体保持着共格的界面关系。这意味着在宏观的富铜/富银相分离基础上，合金内部又自发形成了第二层级的纳米异质结构，即FCC基体中镶嵌着有序的L1₂纳米相。
要点3：化学短程有序（CSRO）的贡献
异质结构的层次并未止步于纳米尺度。研究团队利用高分辨原子成像和三维原子探针（3DAP）技术，在看似均匀的FCC固溶体相中发现了原子级别的有序现象——化学短程有序（CSRO）。逆FFT图像清晰地显示了存在晶格间距约为基体两倍的超晶格结构，这是CSRO的典型特征。理论计算证实了Cu-Au原子对之间强烈的吸引作用是形成CSRO的主要原因。这表明，在原子/皮米尺度上，合金内部存在第三层级的有序-无序异质性，为材料提供了额外的强化机制。
要点4：卓越的综合力学性能
这种从宏观、介观、纳米到原子尺度的四重分级异质结构，赋予了CuAuAg中熵合金非凡的力学性能。大尺寸拉伸样品表现出约500 MPa的抗拉强度和接近40%的延伸率，在强度-塑性图谱中远优于传统的金、银、铜及其二元或三元合金。这种性能的飞跃正是多尺度强化机制协同作用的结果：
- 宏观尺度：富铜（硬）/富银（软）相的交织结构提供了类似复合材料的“编织”强化效应。
- 纳米尺度：L1₂纳米析出相作为坚固的障碍物，有效阻碍位错运动，产生显著的析出强化。
- 原子/皮米尺度：CSRO的存在增加了位错滑移的阻力，贡献了固溶强化。
这项工作不仅为理解熵驱动的相分离、化学短程有序和多尺度结构演化提供了深刻见解，更重要的是，它展示了一种经济、环保且高效的材料设计新范式。这种基于调控原子间相互作用来精巧设计分级微结构的方法，有望被广泛应用于开发适用于电子封装、催化、储能等领域的新一代高性能合金材料。
文献信息
Tang, S., Luo, G., Li, P. et al. Damascus-style hierarchical microstructures enable a strong and ductile medium-entropy alloy. Nat Commun 16, 9624 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64058-x
