圖為采用維氏硬度計（左）和萬能試驗機（右）測試選相共晶高熵合金的力學性能
團隊正在用掃描電子顯微鏡表征選相再結晶處理后共晶高熵合金的微觀組織（圖片均由西北工業大學提供）
近期，西北工業大學材料學院王錦程教授團隊在雙相合金強韌化方面研究取得突破性進展，提出了雙相合金的相選擇再結晶概念，實現了雙相合金力學性能的顯著提升。相關成果發表在《自然-通訊》。
這一研究成果，讓人類制造出密度低、強度高，且具有良好變形能力的合金材料，不再只是幻想。
一般而言，自然界中存在的材料，要么“強而脆”，要么“軟而韌”，因此，研制出“強且韌”的材料是材料科學家永恒的追求。
金屬材料因強度高且具備一定韌性，已經被大量應用于對安全系數要求高的結構件中。比如，現在汽車由金屬材料制備的籠式結構，即便受到一定程度的撞擊發生變形，也不會完全斷裂，從而保護駕乘人員的生命安全。那么，在更極端的環境中，金屬材料是否還能滿足使用要求呢？
西工大材料學院王志軍教授介紹：“舉個極端的例子，比如空間站受到太空垃圾的‘襲擊’時，太空垃圾會以每秒10公里左右的速度沖向空間站，普通的金屬材料會瞬間被擊穿。”
從理論上講，空間站的防護屏障所選用的材料，既要有極高的強度，又要有很高的韌性，同時還要輕便易運輸。不僅如此，太空中還有宇宙射線和高低溫交替，在這種極端環境下，金屬材料也要保持很好的性能。
這就為材料科學家提出了一個非常具有挑戰性的課題。從目前金屬材料的科學研究來看，使用既強又韌的金屬材料，是被動防護的最佳選擇之一。
盡管目前空間站中使用的材料是可以防范以上風險的，不過，科學家們還是在不斷追求更輕、更高效、更節能環保、更容易制備的合金材料。
王錦程團隊在雙相合金中提出的選“相”再結晶概念，為科學家們研制出密度低、強度高，且具有良好變形能力的合金材料提供了理論支撐。
什么是雙相金屬材料？
團隊何峰教授打了個比方：“我們可以把雙相金屬材料中的兩個決定其性能的結構（雙相），分別比喻為動物的骨骼和肌肉，只有在骨骼強硬、肌肉發達，且軟組織柔韌的情況下，一個動物才能有很好的運動能力。”
理論上來講，雙相合金因為具備“骨骼”和“肌肉”協調運行的基本要素，因此理應具有很好的性能。
然而，傳統雙相合金因為受制于加工工藝的限制，“骨骼”之間的連接薄弱，容易“脫臼”，且“骨骼”與“肌肉”之間不能良好協作，因此在真實應用場景下，雙相合金的性能總是與理論設想中的相去甚遠。
針對這一難題，團隊提出了一種獨特的“相”選擇再結晶概念，讓雙相合金的“骨骼”韌性更高，“肌肉”和“骨骼”的協調性更好，從根本上消除“脫臼”的可能性。這種方法首次在共晶高熵合金中實現了高達35%的均勻延伸率，并實現了接近2GPa的斷裂真應力。
2019年，團隊提出利用循環冷變形促進選相再結晶的工藝，顯著提升了雙相材料的共晶高熵合金的拉伸塑性，打破了人們對共晶合金塑性較差的認知。雖難掩興奮，但團隊還是潛心對其背后的機制進行了長達兩年的深入研究，并及時與國際上的金屬材料領域專家交換意見，在大量調研文獻、提出假設、設計實驗驗證、進行國際合作與討論、推翻假設的基礎上，2021年，團隊最終頂住了高熵合金領域快速發展的競爭壓力，明確了共晶高熵合金的選相再結晶韌化機制。2022年，又經過一年扎實的研究驗證，團隊將這一系列研究成果匯總形成論文，并得到了審稿專家的一致肯定。
王錦程表示，相對于傳統強韌化方案，團隊創新提出的新方法，不僅工藝簡單，更重要的是調控后的合金強塑性得到了成倍的突破，未來有望在空天防護、高端裝甲中獲得廣泛應用。
何峰表示：“如果有了這樣的防護裝備，未來，太空旅行的安全指數將大大提高。”
王錦程團隊長期開展材料多尺度模擬計算、材料基因工程與合金設計、高熵合金及增材制造等方面的科研工作。近年來，團隊先后承擔國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃等國家級及省部級科研項目20余項，發表高水平論文200余篇，授權發明ZL12項，獲省部級科學獎勵2項。