超彈性材料是指能在應力作用下產生超大可恢復應變的特種功能材料，在登月工程和深海探測等高技術領域應用廣泛。相關裝備的輕量化、小型化和精密設計對超彈性材料的性能提出了高要求，不僅需要具有高的超彈應力σC和大的彈性可恢復應變εe，還須在寬溫域保持穩定的彈性模量(即Elinvar效應)。然而，普通金屬材料雖然可以達到較高的強度，但彈性變形極限通常小于1%，且彈性模量隨溫度降低而增大。基于應力誘發馬氏體相變所設計的超彈合金難以同時兼具大的超彈應變和高的超彈應力，這是因為大的εe要求合金彈性模量低(晶格較軟)，而低彈性模量不能帶來高強度。此外，由于馬氏體相變原理性局限，傳統超彈合金僅在有限溫域表現出超彈性，且不具備Elinvar效應。因此，研制寬溫域高σC和Elinvar效應的超彈合金極具科學挑戰性。
圖1 Nb6-HEA的主要性能及與其他超彈合金的比較
最近，前沿院馬天宇教授團隊提出功能與結構基元協同構筑新思路，基于多種金屬元素之間的交互效應，通過原位生成納米尺度功能基元(低彈模可相變基元)和微納多尺度結構基元(高彈模不相變強化基元)，設計出一種寬溫域兼具高σC和Elinvar效應的(TiZrHf)44Ni25Cu15Co10Nb6(稱為Nb6-HEA)新型超彈合金。該合金在-150至+100℃的寬溫域內的保持1.2GPa以上的高超彈應力σC(優于商業超彈合金的1GPa)和2.5%以上的超彈應變，同時在600MPa高應力下保持幾乎與溫度無關的彈性模量，也優于商業鈦鎳超彈合金。研究表明，該合金的高σC超彈性源于功能基元與結構基元的相互作用，即低彈模功能基元在應力作用下的連續相變提供了大可恢復應變，高彈模結構基元阻礙了位錯滑移，確保了高σC。功能基元在降溫過程中的應變玻璃轉變造成連續晶格軟化效應，從而補償了無相變結構基元的本征模量硬化作用，從而產生Elinvar效應。此外，該合金還具有高硬度和良好的耐腐蝕性能。因此，上述優異的組合性能使該合金可望用于航空航天大溫差環境及先進工業領域，例如汽車的減振板簧和精密計時器等。
相關工作以《一種具有GPa級超彈應力和近乎溫度不敏感模量的高熵合金》“A high-entropy alloy showing gigapascal superelastic stress and nearly temperature-independent modulus”為題于2025年1月31日在《自然通訊》(Nature Communications (2025) 16:1227)上發表。
前沿院助理教授茍峻銘為論文第一作者，茍峻銘博士和馬天宇教授為論文通訊作者。合作者包括杭州電子科技大學張雪峰教授/劉孝蓮博士、四川大學劉暢博士和日本國家材料研究所任曉兵教授等。西安交通大學前沿院和金屬材料強度國家重點實驗室為論文通訊單位。研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目和中央高校基本科研業務費專項資金項目的支持。
