在结构材料设计中，实现高强度与高延展性的协同始终是核心挑战，传统金属材料往往在强度提升的同时牺牲塑性，而塑性增强又常导致强度下降，二者存在典型的“跷跷板效应”，古代大马士革钢以软硬相间的复杂层状结构实现了这两种性能的平衡，其独特的力学行为源于多尺度结构的协同作用。

2025年10月31日，中南大学的研究团队在Nature子刊《Nature Communications》在线发表了一篇题为“Damascus-style hierarchical microstructures enable a strong and ductile mediumentropy alloy”的研究论文，团队从大马士革上得到了启发，将“类大马士革钢”结构引入中熵合金体系中，通过热力学驱动的相分解与原子尺度化学短程有序的多级结构调控，实现了强度与延展性的同时提升。通讯作者为中南大学的唐思危副教授、陈柏杉老师、刘文胜教授和梁超平教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64058-x

【核心内容】

该研究采用简单的真空熔炼与退火工艺制备出等原子CuAuAg中熵合金，无需机械多次叠锻，即可在材料内部形成自发的多尺度层级结构。该结构包括：微米尺度的Cu-rich与Ag-rich条带式相分离，纳米尺度的L1₂有序析出相，以及原子尺度的化学短程有序（CSRO）。这种由宏观至原子的层级组织，有效实现了强化机制的层层传递，从而获得优异的力学综合性能。

CuAuAg合金层级结构–强化机制协同模型

【研究方法】

以99.99%纯度的金锭、银锭和铜锭为原材料，通过真空电弧熔炼至少5次，熔炼后合金铸锭在650 ℃下均质化处理24 h。X射线衍射仪采用Cu靶，扫描速度为5 min/˚。此外，从合金铸锭上切下薄片，并对其两侧进行抛光后使用聚焦离子束制备了超薄和纳米柱样品，利用纳米力学测试系统对其力学性能进行了测试，利用三维原子探头分析了元素的三维浓度分布，原子结构用球差校正透射电子显微镜进行了表征。用CVM36计算了Cu-Au-Ag系统的亚稳态相图、CSRO和配对几率，并结合第一性原理计算了Cu-Au-Ag体系的能量和弹性模量。

【研究成果】

① 微米尺度的双相纹带结构

合金在退火过程中出现明显的相分解，分别形成富Cu和富Ag的两种相，且最终构成以条带状交织分布的结构，这一宏观可见的“黑白交错纹理”与大马士革钢的层纹类似，但其形成过程并不依赖复杂的锻造叠层，而是来源于热力学驱动的组分偏聚。

CuAuAg合金中Cu-rich/Ag-rich条带结构的宏观-微观证据

② 纳米尺度L1₂有序相的层状析出

Cu-rich相内部可以观察到纳米级的L1₂结构Cu3Au层状析出，其与基体保持共格关系，呈规则排列的纳米片状形态，由于L1₂相具有更高的剪切模量，析出后能够明显阻碍位错的运动，从而提供有效强化。此外，共格界面避免了脆性界面脱粘，使强度提升不伴随塑性严重降低，这种纳米尺度的“硬相嵌入”构成了第二层级强化机制，使材料在拉伸过程中能够保持较高的应变硬化速率。

Cu-rich相中L1₂析出相的纳米层片结构与界面共格性

③ 原子尺度化学短程有序的固溶强化

在更小的原子尺度上，Cu-rich相中存在可观测的化学短程有序（CSRO），其特征为原子分布的偏聚与非随机性，CSRO会改变局部晶格能量状态，使位错滑移过程不再是均匀阻力，而带有周期性“能量台阶”，这种原子尺度扰动增加了位错滑移的能量代价，从而实现额外的固溶强化，同时，由于该强化机制发生于原子对内部，而非依赖新相生成，因此不会引入脆性界面，使韧性得以保留。

原子尺度CSRO结构与Cu-Au配对偏好证据

④ 强度与延展性的高度适配，突破“跷跷板”权衡难题

本研究的力学性能与其他类似体系对比具有明显优势，在压缩和拉伸实验中均表现出了极高的强塑适配度，在压缩测试中微柱样品抗压强度约1700MPa和压缩应变超50%，在拉伸试验中，宏观尺寸样品显示出约500MPa的抗拉强度和40%的延伸率，在变形过程中条带结构维持整体连续变形，大大减少了样品发生脆裂的风险。

L1₂与FCC相弹性模量及硬度差异（理论强化来源）

微柱与块体的拉伸/压缩应力-应变曲线与位错分布

【总结与展望】

该研究在无需复杂加工工艺的条件下，利用热力学驱动多尺度结构演化，复现“类大马士革钢”的层级结构特征，并进一步在原子尺度引入短程有序以增强强化效果，实现了强度与塑性的兼得，该策略在高可靠性电子封装、柔性互连与先进结构材料领域具有宽阔的应用潜力。