Трехкратное увеличение пластичности в двухфазных сплавах высокой энтропии L1₂–B2 за счёт индуцированной ослаблением ориентации интерфейса фазовой трансформации B2→BCT

Как сделать прочные металлы менее хрупкими

Современные двигатели, турбины и космические аппараты требуют металлов, которые одновременно очень прочны и способны значимо деформироваться, не ломаясь. Сплавы высокой энтропии — сложные смеси нескольких металлов — выглядят многообещающими кандидатами, но часто платят за прочность потерей пластичности. В этой работе показан изящный способ утроить растяжимость одного такого сплава без изменения его химического состава, просто тонко перестроив взаимную ориентацию его внутренних «кирпичиков».

Два взаимопереплетённых строительных блока

Изучаемый сплав содержит алюминий, железо, кобальт и никель, смешанные так, что рядом формируются два разных упорядоченных атомных строения. Одно, называемое L1₂, ведёт себя как более мягкая, легко деформируемая фаза; другое, B2, более твёрдое и прочное. В отливочном состоянии эти две фазы образуют длинные параллельные слои, немного похожие на чередующиеся полосы разных пород дерева, склеенные вместе. Критично то, что их атомные решётки выровнены очень специфическим образом — существует определённое ориентировочное соотношение, делающие интерфейс между ними чрезвычайно упорядоченным и жёстким. Такое сильное выравнивание повышает прочность, но при этом фиксирует, как могут перемещаться атомы и дефекты при растяжении сплава, из-за чего твёрдая фаза склонна к растрескиванию.

Ослабление внутреннего выравнивания

Вместо изменения состава сплава исследователи изменили его внутреннюю геометрию с помощью термомеханической обработки: холодной прокатки с последующим высокотемпературным отжигом, повторённых дважды. Этот процесс деформирует исходную ламеллярную структуру и затем позволяет ей рекристаллизоваться в новое строение. Получившаяся микроструктура по-прежнему содержит примерно половину мягкой L1₂ и половину твёрдой B2, но слои стали толще, а зерна каждой фазы — более равноосными, с куда более случайным распределением ориентаций. Измерения ориентаций зерен показывают, что большая часть прежнего строгого выравнивания на границах фаз утрачена, то есть ориентация интерфейса намеренно «ослаблена».

Разблокировка скрытого превращения формы

При растяжении обработанные образцы ведут себя заметно иначе, чем отливочные. Исходный материал разрушается при деформации менее 5%, трещины проходят через большие области B2. Обработанный сплав, напротив, достигает примерно 18% деформации — более чем в три раза большей пластичности — при сохранении сопоставимых предела текучести и прочности на разрыв. Детальные исследования методом рентгеновской и электронной дифракции показывают причину: по мере растяжения значительная доля фазы B2 постепенно превращается в тесно родственную, но удлинённую структуру — фазу с решёткой тетрагонального объёмно-центрированного типа (BCT). Это преобразование сопряжено с удлинением кристалла в одном направлении и небольшим сокращением в других, но практически без изменения объёма. Поскольку окружающие зерна L1₂ теперь могут скользить и деформироваться более свободно вдоль совместимых направлений, они помогают компенсировать это удлинение, превращая локальные напряжения, которые раньше привели бы к разрушению, в полезную, поглощающую энергию деформацию.

Наблюдение трансформации в реальном времени

Чтобы проследить этот процесс по ходу, команда использовала синхротронную рентгеновскую дифракцию во время испытаний на растяжение. По мере увеличения деформации дифракционные кольца от фазы B2 искажались, а затем расщеплялись, сигнализируя о появлении решётки BCT. Отслеживая, как менялись межплоскостные расстояния с деформацией и в циклах нагружения–разгрузки, исследователи показали, что трансформация протекает прогрессивно и частично обратима при промежуточных нагрузках. Статистический анализ большого числа зерен указал, что B2-регионы, окружённые соседями L1₂, способными наиболее эффективно обеспечить деформацию в нужном направлении, с наибольшей вероятностью превращаются. Ослабив прежнее строгое выравнивание на интерфейсах, обработка увеличивает число таких благоприятных соседей, тем самым снижаючй барьер для фазового перехода и распределяя деформацию более равномерно по материалу.

Проектирование более «дружелюбных» границ фаз

Проще говоря, исследование демонстрирует, что ориентация разных «плиток» внутри металла по отношению друг к другу может быть столь же важна, как и то, из каких элементов они состоят. В данном случае ослабление точной подгонки на границах между твёрдой и мягкой фазами позволяет вызвать благотворную стресс-управляемую перестройку твердой фазы, что радикально улучшает пластичность при сохранении прочности. Это наводит на новую дизайнерскую установку для передовых конструкционных сплавов: вместо того чтобы ограничиваться только подбором состава или применением экстремальных давлений, инженеры могут целенаправленно регулировать ориентации интерфейсов — через прокатку, отжиг или даже ультразвуковую обработку — так, чтобы соседние фазы помогали друг другу деформироваться, а не конкурировали, приводя к более прочным и устойчивым к повреждениям материалам.

Цитирование: Shu, Q., Ding, X., Lu, Y. et al. Threefold enhancement of ductility in dual-phase L1₂–B2 high-entropy alloys via interface-orientation-weakening-induced B2→BCT phase transformation. Commun Mater 7, 75 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01088-y

Ключевые слова: сплавы высокой энтропии, пластичность, фазовая трансформация, микроструктура, инженерия интерфейсов