北科大邢獻然團隊《Nature》子刊：原子層錯驅動低熱膨脹鉻合金實現超高韌性！

鉻，作為地球上三大黑色金屬之一。盡管它與廣泛應用的鐵（鋼）擁有相同的晶體對稱性和滑移系，但由于其獨特的外層電子構型（3d?4s1）帶來了強金屬鍵，以及晶界脆性，導致鉻及其合金延展性和加工性能差，難以直接作為結構或功能合金使用。如何讓這類傳統金屬“點石成金”，在實現特定功能的同時突破力學性能瓶頸，一直是固體領域的前沿熱點。

近期，北京科技大學邢獻然教授團隊改善了這一難點，開發出一種組分為Cr96Fe4Ge1.3B1鉻合金。該合金不僅具備優異的低熱膨脹（αl =1.79×10-6 K-1，200-315 K），還展現出240.2 J·cm?3 的高韌性。該研究成果近期已在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線發表。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-69365-5

圖1原文和摘要

通過化學調控手段，在具有低熱膨脹特性的Cr-Fe-Ge體系中引入非磁性元素硼（B），構建了包含體心立方（BCC）基體和層狀Cr2B析出相的雙相合金（CFGB1）。研究表明，BCC基體中的反鐵磁有序是驅動合金產生低熱膨脹行為的關鍵（圖2）。同時，合金機械性能的顯著提升主要歸功于層狀Cr2B金屬間化合物析出相，它不僅細化了晶粒結構，且B原子在晶界處的富集極大地改善了界面結合力。

圖2 ZTE合金的設計策略

進一步的電子結構和顯微分析表明，在加載變形過程中，Cr-B層內較弱的層間相互作用促進了析出相中大量微小堆垛層錯的形核與運動，這種特殊的滑動模式有效釋放了界面應變能，并帶來了顯著的加工硬化能力（圖3）。此外，該合金在3.5 wt.%的氯化鈉溶液中（超過190天）展現出優異的耐腐蝕性和熱循環穩定性。該工作為設計具有層狀對稱析出相的高性能鉻基合金開辟了新途徑。

圖3 Cr2B相原子級層錯表征和電子結構計算

該成果以“Atomic faulting drives exceptional toughness in low thermal expansion chromium alloys” 為題，于2026年近期發表在《自然·通訊》（Nature Communications）。論文共同第一作者為北京科技大學余成意副教授、吳宏輝研究員和朱繪卉博士，通訊作者為北京科技大學邢獻然教授。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及中國博士后科學基金等項目的資助。

據悉，該團隊以低膨脹合金為主題進行了長期探索和系統研究，從2021年到2026年，相繼有四例新型零熱膨脹功能合金在《自然·通訊》上報道。

圖4 低膨脹合金研究進展

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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