在先进核能系统中，关键结构材料需长期服役于低温及复杂应力多场耦合的极端环境中，极端工况下材料强度与塑性协同提升已成为制约核电装备安全与服役寿命的核心科学挑战。近年来，将具有显著流变应力差异的软硬相间区域作为基元进行有序构筑而形成的异质结构，为解决金属材料中强-塑-韧性难以兼顾的问题提供了全新思路。高熵合金凭借其独特的多主元成分设计理念及优异的综合力学性能，在核电关键结构材料与低温工程领域展现出巨大的应用潜力。基于此，围绕异质结构设计与制备，系统开展高熵合金等先进金属材料的变形与损伤行为研究，深入揭示其低温变形过程中的强韧化机制，将为新一代高可靠性核电结构材料的设计与研发提供重要的科学理论支撑。
图1 金属学报期刊封面
近期，由上海大学材料科学与工程学院院长、核电关键材料全国重点实验室副主任钟云波教授领衔的高性能结构功能材料超常冶金与制备研究团队在《金属学报》-名家经典专栏（主编李殿中院士特邀）、《cMat》（特刊受邀论文，中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊）及《Rare Metals》（中科院1区，入选中国最具国际影响力学术期刊）上连发3篇封面论文（图1、图2），系统介绍了该研究团队在多级层片异构金属材料方面的研究进展，全面梳理了高熵合金在低温环境下的变形行为及强韧化机制，并揭示了铸态共晶高熵合金凝固机制及层片组织演化对力学性能的内在影响关系，为高强韧核电关键材料的成分、结构设计与组织调控提供了新的理论依据和技术路径。
图2 cMat（左）及Rare Metals（右）期刊封面
“异质结构”或“异构”作为强韧化领域前沿构型范式，为突破金属材料的强度、塑性与韧性等难以兼顾的矛盾提供了全新的解决思路。受天然材料的跨尺度构筑启发，该团队提出了仿生“多级层片异构”的协同设计策略，且实现了更突出的强-塑-韧性同步提升（图3）。该研究主要聚焦本团队多年来在多级层片异构金属材料方面的研究进展，提炼了仿生鱼骨型、微层片遗传型、蚕茧位错网型等典型多级层片异质结构的理念、设计原理和强韧化机制，重点回顾了如何有效突破不可控裂纹、超细晶组织以及高密度位错诱导的强塑性掣肘难题，并将该新型异构策略和相应的突出性能改善成功拓展至多金属体系，制备出新一代高铁关键接触线材，综合性能国际领先。最后，展望了更先进的多级层片异构材料的开发及未来潜在发展方向。
图3 微层片遗传工程制备的多级层片异质结构及多类型纳米孪生诱导的多阶段应变硬化
高熵合金在低温条件下表现出卓越的力学性能，突破了传统金属材料中普遍存在的强度-塑性掣肘关系。上述研究成果还系统综述了近年来关于高熵合金低温变形机制、微结构演化及其反常力学响应的研究进展，其优异性能源于变形孪晶、位错滑移、层错及相变等多种变形机制的协同作用，这一过程受到温度依赖的层错能及复杂内应力场的共同调控。塑性变形过程中出现的锯齿流动现象，则反映了局部相不稳定性与缺陷相互作用的耦合效应。同时，该研究还强调了高熵合金在低温工程应用中的巨大潜力，指出当前研究中仍存在的关键科学问题，包括应变局部化的起源以及多尺度缺陷在延迟断裂中的作用（图4）。未来研究还将重点发展先进的原位表征技术、多物理场耦合建模方法，并面向极端服役环境开展新型高熵合金成分与组织结构设计。
图4 高熵合金的典型力学行为、变形机制及低温工程应用中的巨大潜力
共晶高熵合金作为高熵合金家族的杰出代表，因其力学性能的良好平衡以及广阔的应用前景而受到广泛关注。然而，共晶组织的凝固机制与其力学性能之间的内在关联仍尚不清晰。该研究报道了一种AlCoFeNi系共晶高熵合金，其组织由典型的规则层片和非规则层片共同组成，在铸态条件下实现了强度与延展性的协同平衡。研究表明，规则与非规则层片共晶所构成的多级异质结构来源于凝固过程中溶质扩散行为及其相关的热物理因素。通过对变形过程的多尺度表征，揭示了混合层片组织结构在实现强-塑平衡中的关键作用，其根源在于跨越较宽应变范围持续发生的异质变形诱导应变硬化行为。研究结果为阐明铸态共晶高熵合金的结构-性能关系及其性能优化提供了新的见解。
上述研究成果由上海大学、香港科技大学等多家单位共同合作完成，其中上海大学为第一署名单位。上海大学长江学者钟云波教授、上海大学青年教师时培建教授为三篇论文的通讯（第一）作者，蒋鑫博士生（cMat）、秦祎硕士生（Rare Metals）分别为两篇论文的第一作者。上述研究得到国家自然科学基金（No. U23A20607、No. 52501233）、十四五国家重点研发计划（No. 2022YFC2904900）的资助。
相关论文链接：
1.https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2025.00234多级层片异构设计构筑超高强塑性金属材料
2.https://doi.org/10.1002/cmt2.70022Decoding cryogenic deformation mechanisms in high-entropy alloys: a comprehensive review of microstructural evolution, strengthening-toughening synergy, and serrated flow dynamics
3.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf6986Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys
4.https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2409317121Strong, ductile, and hierarchical hetero-lamellar-structured alloys through microstructural inheritance and refinement
5.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123003504Bioinspired, heredity-derived hierarchical bulk multifunctional copper alloys
6.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120303321Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys
7.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202405459Strong-yet-ductile eutectic alloys employing cocoon-like nanometer-sized dislocation cells
8.https://www.nature.com/articles/s41467-019-08460-2Enhanced strength-ductility synergy in ultrafine-grained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae
