Influence of non-ferromagnetic Al/Cr ratio on microstructure, magnetic and corrosion properties of medium-entropy alloys

在材料科学领域，工程师们不断寻找能够不仅仅是维持形状的金属。他们希望合金既足够坚固以制造机器，又足够耐用以在恶劣环境中生存，并且足够敏感以与磁场发生相互作用。几十年来，研究重点一直集中在高熵合金上，这类金属是通过将五种或更多元素以近乎相等的比例混合而成的。这些混合物创造了一种混沌的原子结构，通常会带来令人惊喜的强度和稳定性。一种稍不拥挤的“亲戚”——中熵合金，则使用三到四种主要元素。虽然它们拥有相同的混沌原子精神，但这些合金为科学家提供了更易于掌控的实验场，以便微调特定性能。挑战在于寻找完美的平衡点：添加一种元素来增加金属的硬度，可能会在无意中破坏其导磁能力或抗锈能力。理解如何应对这些相互竞争的需求，是设计用于从电动机到医疗设备等各种领域的新一代材料的关键。

广西民族大学的一个研究小组最近致力于解决该领域内的一个特定难题。他们专注于一类主要由铁和钴组成的铁钴中熵合金，这两种元素以其强大的磁力而闻名。在这些磁性基础上，他们添加了铝和铬，这两种非磁性元素起到了强效调节剂的作用。研究人员并非随机添加这些成分；他们仔细调整了一系列样品中铝与铬的比例。他们的目标是观察这种平衡的变化如何改变金属的内部结构、其抗划痕能力、在磁场中的表现以及在盐水环境中的抗腐蚀能力。通过在真空中将高纯度的铁、钴、铝和铬熔合在一起以防止污染，他们创造了一组六种截然不同的合金，每种合金都有略微不同的配方。

当科学家们利用 X 射线衍射和电子显微镜观察这些金属内部时，他们看到了一个清晰的转变过程。含有最少铝含量的样品最初呈现为两种不同原子排列的混合物，即面心立方和体心立方结构。随着铝含量的增加，内部景观发生了变化。一种被称为 B2 相的高度有序结构开始出现并生长。这种相就像金属内部一个排列极其整齐的网格，与其它样品中发现的更为随机的排列截然不同。在系列的中点处，金属曾短暂地包含三种不同的相共存，但随着铝含量的持续增加，结构稳定在了由体心立方和有序 B2 结构主导的双相状态。这种转变是由原子尺寸差异驱动的；较大的铝原子推动晶格膨胀，迫使原子重新排列成这些新的、更有序的模式。

这种重排对金属的硬度产生了直接且剧烈的影响。硬度（衡量材料抗划痕或凹陷能力的指标）并非简单地随铝含量的增加而呈线性上升或下降。相反，它随着铝含量的增加而迅速攀升，并在铝比例处于特定中间水平时达到顶峰。在此点上，金属内部充满了不同相之间的边界，形成了一个复杂的网络，使得缺陷极难在材料中移动。这使得处于最硬点的合金比原始材料要坚韧得多。然而，当研究人员在超过这个峰值后继续添加铝时，硬度开始缓慢下降，尽管其硬度仍远高于原始混合物。金属变得更加均匀，虽然它失去了那种极端的抗划痕性，但保留了相当水平的强度。

合金的磁行为讲述了一个更加引人入胜的故事。铁和钴天生具有磁性，但混合物中铬的存在倾向于通过产生一种抵消磁力的相互作用来削弱这种磁性。通过增加铝的含量并减少铬的含量，研究人员有效地抑制了这种抵消效应。随着铝含量的上升，金属的磁化能力不断增强，最终达到了一个高平台。同时，金属变得更容易被磁化和退磁，这种特性被称为低矫顽力，对于用于电子设备的软磁材料至关重要。在表现最佳的样本中，含铝量最高的样品展现出了最强的磁力以及最低的改变磁态阻力，使其成为高性能磁性应用的理想候选材料。

耐腐蚀性，即在盐水中抗锈的能力，遵循了一条更为复杂的路径。研究人员在盐溶液中测试了这些合金，以观察其降解速度。他们发现，铝含量最低的金属具有非常稳定的化学势，这意味着它天然地不愿开始腐蚀。然而，当他们转向系列的中部时，耐腐蚀性显著下降。这是因为中部样品中复杂的三相混合物在金属内部形成了微小的电流回路，从而加速了生锈过程。但当他们进一步向高铝端移动时，耐腐蚀性再次提高。高铝端的合金在其表面形成了一层非常紧密的氧化保护层，作为抵御盐分的盾牌。该高铝组中的一种特定合金表现出了最佳的整体防护效果，形成了一种极其稳定且抗破坏的钝化膜。

这项工作的最终启示是，通过仔细调节仅有的两种非磁性成分的比例，研究人员就可以引导金属走向不同的强度方向。他们确定了一种能够提供卓越综合特性的特定合金。这种材料具备高硬度、具有强磁力和低阻力的优异磁性能，以及良好的抗腐蚀能力。虽然它在抗锈方面不是该系列中最强的，但它是唯一一个成功平衡了所有三个关键属性的样本。这一发现表明，工程师现在可以精确地设计中熵合金，选择确切的化学配方，以创造出用于先进电气设备和微电子领域的强韧、磁性且耐用的材料。