在传统金属中，强度与塑性是一对力学性能中难以兼顾的矛盾。面心立方 （Face-Centered Cubic，FCC）晶体结构合金通常拥有较好的塑性和变形能力，但 是其强度普遍偏低。目前公认的强化方法：固溶强化、细晶强化、相变强化和沉 淀强化等，均难以使材料突破强度与塑性的倒置。近些年来，在 FCC 中/高熵合 金中发现了短程有序结构不但对位错有显著的阻碍作用，并且还可以降低局部的 层错能，引入诸如相变和孪生等更加丰富的塑性变形机制，对材料强韧化有着非 常重要的作用。此外，长程有序结构，例如沉淀相或者第二相，也具有不可忽视 的强化作用，在此类结构的作用下，材料的屈服强度可强化至 2GPa 以上。为了 改善强度与塑性的倒置，本文将沉淀相、纳米孪晶等亚结构引入异质结构设计。 拉伸变形过程中，不同的异质结构之间形成背应力，或者称异变诱导（Hetero Deformation Induced，HDI）应力。HDI 应变硬化大幅提升了材料整体的应变硬 化率，延缓颈缩的形成，可以有效地协同提高材料的强度与塑性。在 FCC 中/高 熵合金中，短程有序，长程有序，以及异构等因素对强度与塑性的具体作用机制， 目前有待深入解决。 本研究以 VCoNi 和 CoCrNi 两种典型的 FCC 中熵合金为研究对象，进行了 以下 3 个方面的研究：（1）短程有序结构对材料强化的影响机制；（2）长程有 序结构的强化机制；（3）多级滑移带体系联动对韧化的影响。 第一，在众多局部化学有序（Local Chemical Order，LCO）的研究中，化学 短程序（Chemical Short-Range Order，CSRO）是最难破译的难题。目前为止， CSRO 存在形式的具体证据依然缺失。本论文选择一个代表性 VCoNi 中熵合金， 该合金是一种 FCC 结构超级固溶体，并且材料处于亚稳态，具有形成化学有序 的倾向。第一性原理模拟也表明，VCoNi 合金中等原子比的 V、Co 和 Ni 三种元 素之间的结合能存在以下规律：该合金的固溶体更倾向于形成 V-Co 和 V-Ni 原 子对，但回避 V-V 原子对。短程有序结构的尺寸往往处于亚纳米尺度，目前的 实验技术难以实现直接对其结构的直接观察与分析。为此，基于原子尺度高分辨 透射结果，我们设计了独特的结构分析方法，成功规避数据拟合和多种可能性的 解释；在特定的晶带轴下，利用选区衍射、微纳束衍射，以及原子级高分辨，化 学能谱的透射电子显微镜照片，获得了 VCoNi 中熵合金的面心立方晶体结构 FCC 相中的 CSRO 的直接证据。其空间三维结构是单斜晶体，晶格常 数为 a=0.541 nm、b=0.264 nm、c=0.445 nm，基于对 CSRO 结构的深入理解，进一步研究了塑性变形过 程中，短程有序结构与位错的交互作用机制，阐明了短程有序结构的强化机理。 第二，在中/高熵合金的长程有序结构目前主要集中于沉淀强化方面的研究， 通过时效处理引入纳米级长程有序结构，可提高各类合金体系的抗拉强度至 GPa 级水平。其中，最具代表性的是L1ଶ型（A3B 型，面心正方晶体结构，八个顶角 均为 B 原子）的长程有序金属间化合物（Ordered Intermetallic Compounds，OICs）， 其具有高强度的优势，但塑性是主要瓶颈。本文另辟蹊径的提出了一种双相异构 VCoNi 中熵合金（FCC 相+L1ଶ相）微观组织调控思路，主要的目的是形成由纳 米片层夹杂堆垛层错的特殊结构，实现双相 VCoNi 中熵合金屈服强度提高至 2.1 GPa 的强化效果，并保持了 16%的均匀延伸率。利用化学能谱的透射电子显微 镜、三维原子探针、XRD 配合第一性原理计算，深入探索这一新结构的强韧化 潜在机制。其中，双相 L12 长程有序显著提高了 VCoNi 中熵合金的强度，但是 在 FCC 和 L12 双相异构材料中的 HDI 应变硬化显著提高了材料整体的加工硬化 能力，延迟了颈缩和变形失稳的发生。为新型高强高韧中熵合金的制备提供了新 的强韧化思路。 第三，FCC 中/高熵合金的特点是高塑性，低强度。对于中/高熵合金韧化机 制的深入理解，是进一步实现强化的重要前提。本文以单相 CrCoNi 中熵为研究 对象，研究不同晶粒尺度对强度与塑性的关系，发现粗晶态样品不但屈服强度没 有下降，其均匀延伸率显著高于细晶材料，可实现高达 110%的均匀塑性。通过 原位透射电子显微镜，深入解析了超高塑性变形的韧化机制，提出了以滑移带诱 导塑性新机制：具体是塑性变形初期晶界作为位错源发生位错，并且塑性变形集 中于特定的滑移带内，滑移带中的位错包含全位错和不全位错两种类型；随着应 变的增加，滑移带之间发生交互作用，当不全位错在交割处相遇，则会形成 Lomer-Cottrell（LC）位错锁，钉扎住路过的位错，形成高密度位错塞积；为实现 持续稳定的塑性变形，以交滑移方式激活了更多新的侧向滑移带；以此方式，持 续促发多次滑移带，初始的毫米级晶粒逐步划分为微米级小区域；随着结构单元 的尺寸进一步降低，不全位错比例增加，诱使高密度纳米孪晶形成，促使晶粒进 一步被细化至纳米级。这种动态的晶粒细化，是超大晶粒 CoCrNi 依然能保持较 高的屈服强度的原因之一，晶内逐级形成的高密度纳米孪晶也是实现超高塑性的 潜在机理。 综上，本文在传统金属材料的强韧化研究基础上，针对新型中熵合金材料， 系统研究了其特有的短程、长程有序结构的强化机制；在增塑方面，一方面，本 文发现了中熵合金的双相结构中也存在异构金属材料的 HDI 应变硬化，可显著 提高材料的均匀塑性；另一方面，基于原位透射电镜技术，本文发现由于短程有 序结构存在诱导形成了以滑移带为主要形式的新型变形机制，能够在粗大晶粒材料中实现基于多级滑移带体系诱导的超强韧化效应。结合本文三部分内容，最终提出了面心立方中熵合金的强韧化新思路。