调和机械性能与软磁性能间矛盾 这种合金实现“鱼与熊掌兼得”

对于在应力加载条件下服役的软磁合金部件，除了要具备优良软磁性能外，机械性能也非常重要。但大多数提高合金机械强度的方法，都会降低软磁性能。对此，我们设计了一种Fe-Co-Ni-Ta-Al多组元合金，解决这对“冤家”之间的矛盾。

李志明 中南大学材料科学与工程学院教授

世界上是否存在一种能有效解决金属材料机械性能和软磁性能间矛盾的材料？

答案是：以前没有，但现在有了。

9月14日，科技日报记者从中南大学获悉，该校材料科学与工程学院教授李志明，在与德国马普所Dierk Raabe教授等研究人员的一项合作研究中，获得了一种集高机械强度、高拉伸延展性、低矫顽力、中等饱和磁化强度和高电阻率等诸多性能于一体的多组元软磁合金。

“高性能软磁合金是电气应用领域的关键材料。对于在应力加载条件下服役的软磁合金部件，除了要具备优良软磁性能（如低矫顽力、高饱和磁化强度）外，机械性能（如强度、塑性）也非常重要。但大多数提高合金机械强度的方法，都会降低软磁性能。对此，我们设计了一种Fe-Co-Ni-Ta-Al多组元合金，解决这对‘冤家’之间的矛盾。我相信，这种合金体系在未来高性能软磁部件中，会有重要的应用价值。”李志明说。

该项最新研究成果日前发表于国际权威杂志《自然》。

亟须开发新一代高强韧性软磁材料

经常被应用于高大上领域的软磁材料，在日常生活中也很常见。

在中学课本中，有这么一个小实验。

老师将铁屑撒在一张纸上，随意摇晃着。这些铁屑也随着老师的摇晃，在纸上变换着姿态。

此时，老师在纸下放置一根条形磁铁，再重复上述过程，这些铁屑就立刻变得“规矩”起来——排列成磁力线的形状。

这是中学时候，大家对磁的第一次认知。但大家未必知道，铁就是一种软磁材料。它们被磁铁的磁场“控制”时，很容易被磁化。但当磁场移除时，它们又很容易“变节”——退磁。

在科学上，软磁材料被定义为能迅速响应外加磁场变化，且能低损耗获得高磁通密度的一种材料。反之，经磁化后不易退磁，甚至可以作为外加磁场的材料（如上述例子中的磁铁），则被称为硬磁材料。

软磁材料具有低矫顽力、高磁导率和高饱和磁化强度等特点，因而被广泛应用于电力工业和电子设备中。特别是，随着我国新基建等有关政策的推行和落地，软磁材料在光伏发电、新能源汽车及充电桩、数据中心、消费电子等领域的需求会越来越大。

“软磁材料是现在种类最多的一类磁性材料。它的发展可以追溯到100多年以前。但随着新能源汽车行业的蓬勃发展，电机内部高速转子等软磁材料部件需要拥有更高的强度，来防止其在高离心力下发生永久变形。这意味着，亟须开发新一代具备高强韧性的软磁材料。事实上，由于应用环境复杂，对材料要求高，尽管目前商用的软磁材料种类繁多，但难以满足复杂的加工条件或服役要求。”李志明团队科研人员葛蓬华向记者介绍。

析出相尺寸和分布对合金性能影响大

“通常，我们用强度和塑性等标准，评估某种材料力学性能的好坏。强度，反映的就是材料抵抗永久性变形的一种能力。变形在金属晶体的微观世界里，由一种名为‘位错’的缺陷运动产生。通常情况下，金属中某些特有的障碍物，可以阻碍位错运动，这种障碍物越多，在宏观上金属材料的强度就越高。这些障碍物里，最有效的叫做‘析出相’，但是它们并不利于合金的磁化。因此，这让众多科研人员陷入了金属力学性能与软磁性能无法两全的困扰中。如何实现力学和软磁性能的优良搭配，是软磁材料发展的难点，也是这一领域研究的热点。”葛蓬华说。

李志明与合作者通过研究发现，合金中析出相的尺寸、分布和密度，都会对合金性能产生决定性影响。因此，他们不断尝试各种热处理制度，探索如何获得材料最完美的状态。这需要研究人员非常细心，因为一旦“失之毫厘”就会得到“谬以千里”的结果。

在这一过程中，该团队发现了析出相的最佳尺寸，它是能将合金力学性能和软磁性能同时优化的“临界值”。

李志明向记者详细“复盘”了他们的研究。他们通过实验，设计了Fe32.6Co27.7Ni27.7Al7.0Ta5.0多组元合金，在无序面心立方结构的基体中引入有序L12纳米析出相，并通过热机械处理的方法调控纳米析出相尺寸，并发现当L12相平均尺寸在91纳米时，合金具有极低的矫顽力、中等饱和磁化强度和高电阻率；合金在54%的拉伸率下具有1336兆帕的抗拉强度。

通过后续各种表征手段（扫描电镜SEM、透射电镜TEM、三维原子探针3D-APT等），该团队还发现了纳米析出相的尺寸和分布对合金性能影响的机理。

实现商业应用还需解决“拦路虎”

这种能使得金属材料兼具优良的机械性能和软磁性能的技术，目前还处于实验室阶段。但李志明与合作者研究的这种合金，已经展现出的优良综合性能，远超目前商用的软磁材料。

该团队认为，他们的研究成果，有望帮助科研人员对现有软磁合金进行性能优化，间接推动整个软磁合金行业发展。

“坦率地说，目前我们研究出的合金，虽然具备超高强度、高塑性和低矫顽力等优越性能，但饱和磁化强度还是低于现有最好的软磁材料。这可能会成为影响该合金实际应用的一个因素。因此，在后续研究中，我们还需要进一步优化合金成分和工艺等，来提高饱和磁化强度。同时，在后续研究中，我们将以此为基础进一步开发合金体系，增强该合金设计理念的普适性，为继续降低成本，推动多组元软磁合金的工业化量产进程努力。”李志明说。

此外，李志明团队与合作者，还开发了多种高性能合金并提出了多种合金设计新思路。例如研发了具有高应力孪生效应的超高强韧高熵钢，具有接近理想强度的超间隙固溶合金，具有高电阻、低电阻温度系数、高强度和较好变形能力的低成本铁素体型多组元电阻合金等，引起了业界广泛的关注。