近日，材料科学领域期刊《Materials Science & Engineering A》发表了一项关于高熵合金阻尼性能的重要研究。西南交通大学材料科学与工程学院的研究团队通过精准调控堆垛层错能（SFE）和晶格畸变，成功协调了FeMnCrCo高熵合金的多种阻尼机制，为开发高性能减振材料提供了新思路。本文将带您深入解读这一创新成果。

研究背景：减振材料的迫切需求

随着工业化进程加速，振动和噪声控制已成为航空航天、交通运输和精密制造等领域的关键挑战。传统减振材料往往依赖单一阻尼机制，如位错阻尼、孪晶边界阻尼或相变阻尼，但它们在复杂环境下的性能受限。高熵合金（HEAs）因其独特的多种元素混合和缓慢扩散效应，能同时整合多种阻尼机制，成为极具潜力的新一代减振材料。FeMnCrCo体系高熵合金尤其引人注目，它结合了位错滑移、孪晶效应、磁弹性阻尼和堆垛层错运动等多种机制，但如何协调这些机制以实现最优阻尼性能，一直是研究的难点。

Fig.1. X-ray diffraction pattern of the as-cast (a) and as-quenched (b) HEAs. SEM images of the as-cast HEAs, (c) -(h): Co5-Co30. (i) EDS face sweep of the TEM map of the Co5 alloy.

Fig.2. EBSD phase diagram of the as-cast HEAs (a) -(f): Co5-Co30. (g) dependence of volume fraction of FCC phase, small/high-angle grain boundary, average grain size, and content of twins (inset) of as-cast HEAs with the Co mole ratio.

创新方法：成分设计与热处理双管齐下

研究团队设计了一系列不同钴（Co）含量的Fe65-xMn20Cr15Cox合金（x=5,10,15,20,25,30 at.%），通过真空电弧熔炼制备，并进行了均匀化和淬火热处理。Co含量的变化能显著影响堆垛层错能（SFE）和晶格畸变，从而调控微观结构和阻尼行为。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）等技术，团队详细分析了合金的相组成、晶粒结构和缺陷分布。动态机械分析（DMA）则用于评估合金在不同温度、振幅和频率下的阻尼性能。

Fig.3. EBSD GND plot of the as-cast HEAs (a)-(f): Co5-Co30. GND distribution map in FCC (g) and HCP (h).

Fig.4. TEM images of the as-cast Fe45Mn20Cr15Co20 alloy: (a), (c), and (d) bright field images of the as-cast Co20 HEA. (a2) and (a3) the SAED pattern of the selected area in (a1). (b) high-resolution TEM (HRTEM) image of the area in the red frame in (a1), showing the SF in the HCP phase. (c) and (d) distribution of stacking faults. (e) the HRTEM, showing the SF in the FCC phase.

关键发现：Co含量如何影响微观结构与性能

1. 相组成与晶格畸变随着Co含量增加，合金中的FCC相比例逐渐升高，而HCP相（ε-马氏体）相应减少。Co20合金（Fe45Mn20Cr15Co20）表现出最小的晶粒尺寸（仅1.2μm）和最高的小角度晶界比例（20.4%），这有利于位错运动和能量耗散。晶格常数测量表明，Co含量变化导致晶格畸变程度不同，直接影响合金的强度和阻尼能力。

2. 力学性能：强度与塑性的平衡拉伸测试显示，Co15合金的抗拉强度最高（805 MPa），而Co20合金强度最低（504 MPa），但延性较好。淬火处理后，合金整体力学性能略有下降，但Co20合金的性能得到改善，表明热处理能优化缺陷分布和相稳定性。

3. 阻尼性能：室温下的卓越表现在室温阻尼测试中，Co20合金在振幅相关和频率相关阻尼方面均表现最佳。振幅相关阻尼符合Granato-Lücke位错阻尼模型：低应变时，位错在钉扎点间运动耗能；高应变时，位错逃脱弱钉扎点，产生更高阻尼。频率相关阻尼则显示，在0.1-100 Hz范围内，阻尼值先降后升，表明不同机制在不同频率段主导。

4. 温度依赖的阻尼行为：三个神秘峰值在-140°C至140°C温度范围内，合金表现出三个明显的阻尼峰（P1、P2、P3）：P1峰（~30°C）：源于位错在强钉扎点间的自由运动。P2峰（~200°C）：与ε-马氏体向γ-奥氏体的逆相变相关，相界迁移耗能。P3峰（~120°C）：与HCP相中的堆垛层错激活有关，尤其在铸态Co5合金中显著。淬火处理后，P3峰显著减弱，表明热处理减少了堆垛层错密度，提高了SFE。

Fig.5. Tensile stress-strain curve of the as-cast (a) and as-quenched HEAs (c). Tensile strength, yield strength, elongation after breaking, and product of strength and plasticity of the as-cast (b) and as-quenched (d) HEAs.

机制揭秘：SFE和晶格畸变的协调作用

研究发现，低SFE促进堆垛层错和纳米孪晶形成，增强阻尼能力；而低晶格畸变则减少位错运动阻力，提高阻尼源 mobility。Co20合金的成功在于其适中的SFE和晶格畸变，使多种机制（位错滑移、界面滑动、相变）协同工作。热处理通过提高SFE和减少缺陷，优化了阻尼性能。淬火后，合金的存储模量增加，表明原子间结合力增强，但阻尼源移动性仍保持良好。

Fig.6. The strain-amplitude damping map of the (a)as-cast and (c)as-quenched HEAs at fixed T = 25°C and f = 1 Hz. Internal friction peak Q-1 bar chart of the (b) as-cast and (d) as-quenched HEAs. Relationship between ln(πεtanφ) and 1/ε for the as-cast alloys (e) and as-quenched alloys (f) at f = 1 Hz. The inset is the calculated C1 and C2 based on the G-L model.

应用前景与未来方向

这项研究不仅揭示了高熵合金阻尼机制的协调策略，还为设计下一代减振材料提供了实用指南。FeMnCrCo合金在宽温域、多频率下的优异性能，使其适用于发动机部件、精密仪器和建筑减震等领域。未来工作将聚焦于：优化其他元素（如Al、Ti）的添加，进一步调控SFE、开发新型热处理工艺、实现微观结构精准设计、探索增材制造等先进加工技术，推动产业化应用。

Fig.7. The frequency-damping map of the (a) as-cast and (c) as-quenched HEAs at fixed T = 25°C and amplitude = 40 μm. Internal friction peak Q-1 bar chart of the (b) as-cast and (d) as-quenched HEAs.

Fig.11. TEM bright-field images of the as-quenched Co5, Co20, and as-cast Co20 HEAs showing the change of stacking faults and dislocation structures.

通过调控堆垛层错能和晶格畸变，西南交通大学团队成功解锁了高熵合金的阻尼潜力，为高性能减振材料开辟了新路径。这一成果不仅深化了对合金阻尼机制的理解，也为工业减振降噪提供了创新解决方案。