金属材料的屈服强度和拉伸塑性对于工程应用都很重要。高强度可以满足承载需求，且有助于大幅降低材料的使用量，从而节约能源和降低排放。大塑性可提高材料服役时的安全性，而其更重要的工程意义在于拉伸应力下的均匀变形能力常常是材料加工之必需。然而，屈服强度的大幅提升几乎总是以牺牲拉伸塑性为代价。因此，同时获得高强度与高塑性一直以来都是材料科学家追求的目标。

近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马恩教授以《具有卓越强度与塑性组合的合金》（“Alloys with an exceptional combination of strength and ductility”）为题，于《科学》子刊《科学进展》（《Science Advances》）发表焦点文章（Focus article）。该文论证了金属材料在强化的同时保持拉伸塑性、实现高强度与大塑性共存的可行性。文章指出，在图1所示的性能范围内，高强度时拉伸率严重受限的原因往往是塑性失稳—特别是易于发生颈缩。实现高强高塑兼得的学术思想是发扬光大下述基本原理：通过在位错运动路线上设置有效阻碍，使位错举步维艰，从而达到高强度；同时利用这些频发障碍，增加位错反应和存储的机会，保持加工硬化率，抑制塑性失稳（颈缩）以延长拉伸率。

图1 兼具超高屈服强度与大均匀拉伸塑性的合金。近期研究通过维持高应变硬化率，在提升屈服强度的同时保持均匀延伸率，从而突破了过去达到的上限（红色虚线）。当前研究前沿（上沿灰色虚线）正在逼近右上角（灰色箭头）。典型案例包括超强钢（紫色）和多主元合金（最新数据以红色显示，过去几年数据以其他颜色标注）——如Fe-Mn-C-Al-Si-V、W-Ni-Fe-Ta、Ti-V-Nb- Hf-Al、Fe-Co-Ni-Al-Ta以及V-Co-Ni等（灰色区域）。

图片来源：马恩、刘畅；改编：A. Fisher/Science Advances。

上述理念指导的设计实践，近年来得益于大量涌现的多主元复杂合金。这些新合金所拓展的成分空间（多种高浓度合金元素）得以把传统的强化和应变硬化机制发挥到极致；同时，复杂多样且在纳米尺度上非均匀的微观组织（结构不均匀性与化学异质性），包括成分波动与化学有序，加之大量和不同种的析出相，带来调控位错演化的新机制。这些机制的叠加和综合利用产生了简单合金体系难以企及的效果。在迄今已知块体合金所及的性能范围内（屈服强度约2.3 GPa，均匀延伸率约30%），图1中新开发的合金正在逼近同时“高强高塑”的目标（右上角），实现“鱼和熊掌兼得”。

文中的观点与论述，旨在为解决强度-塑性权衡难题提供新见解和新思路。最新的成功案例（图1）为金属材料的发展提供了新的可能性和机会，但工程设计上还需要更多关注合金在多种复杂载荷条件下的行为，诸如疲劳、断裂韧性、三向应力状态下的加工性能等。

论文链接：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb7908