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» 高熵合金打破了傳統合金以單一元素為主的框架，具有優異的機械性質與多樣的功能性應用潛力，不過目前在成本、製程控制，以及合金設計上仍面臨挑戰。
» 簡單面心立方結構的高熵合金，在低溫下具有良好延性和破裂韌性；而體心立方結構的高熵合金，在高溫下具有極佳的強度表現。
» 透過固溶強化、細晶強化、析出強化、應變強化等方法可提升高熵合金的強度；新興的「異質材料」概念則是透過硬域和軟域的適當結合來提高強度同時保持延性，達到甚至更好的總體性質。

「高熵合金」（high-entropy alloys）是一種新型合金材料，它的概念是由臺灣國立清華大學材料科學工程學系教授葉均蔚院士，與英國牛津大學（University of Oxford）材料系教授康托爾（Brian Cantor），在2004 年分別發表在不同的國際期刊。長久以來人類使用的合金，均是1 ～ 2 個元素作為主要元素，再添加次要元素調整合金的性質。金屬材料也因此大多是依照它的主要元素，分類為鋼鐵、鋁合金、鈦合金等我們熟悉的合金家族。主要元素通常在合金中占70％或是更高的比例，並直接形塑出此類合金家族的特性。而高熵合金的發明，便是突破傳統合金以單一元素為主的框架，以五種或更多的主要元素形成合金。

這種新穎的設計概念為高熵合金帶來許多特殊的性質。首先，它們常具備優於傳統合金的機械性質，且在抗蝕、抗輻射、耐高溫、耐磨耗、儲氫、催化、降解，以及其他能源與功能性應用等方面皆有優異的特性表現。特殊的性質使它們在航太、化工、能源等產業，以及海洋、輻射、高溫等環境下都有應用前景。雖然高熵合金的應用廣泛，但它的材料成本通常較高，且在製程控制上需要更高的成熟度，合金設計也較為困難。這些是高熵合金未來要達到廣泛應用會面臨到的主要挑戰。整體來說，高熵合金是一種充滿潛力的新材料，將隨著研究的深入和技術的進步，有望在許多應用上取代傳統材料。本篇文章將討論高熵合金的機械性質，以及如何透過各種方法將高熵合金的強度進一步提升。

高熵合金的機械性質

何謂機械性質呢？它是指材料在受外力作用時所展現的特性，例如強度、延性、硬度、破裂韌性、疲勞、潛變等多種特性。這些性質可能直接影響材料的應用表現、安全性、可靠性、使用壽命、製造、加工方式乃至於成本等。因此機械性質在許多工程場域中至關重要。例如車體的結構設計需要兼顧耐撞擊性（crashworthiness），能透過材料變形吸收撞擊能量；同時座艙本身還要具備足夠的鋼性，保護車內乘客所在空間不會潰縮，並讓乘客在撞擊後仍能如常打開車門。

晶體結構為簡單面心立方結構（face-centered cubic, FCC） 的高熵合金通常具備良好的延性、加工硬化能力、破裂韌性， 且在低溫狀態下的表現尤佳。例如CrMnFeCoNi 在77 K（Kelvin，克耳文）下的破裂韌性高達200百萬帕平方根公尺（MPa·m1/2），這個數值高於當時已知的所有材料（圖一a），而它驚人的破裂韌性被認為與它在低溫下變形產生的變形雙晶有關（延伸閱讀1）。晶體結構為簡單面心立方結構（face-centered cubic, FCC） 的高熵合金通常具備良好的延性、加工硬化能力、破裂韌性， 且在低溫狀態下的表現尤佳。例如CrMnFeCoNi 在77 K（Kelvin，克耳文）下的破裂韌性高達200百萬帕平方根公尺（MPa·m1/2），這個數值高於當時已知的所有材料（圖一a），而它驚人的破裂韌性被認為與它在低溫下變形產生的變形雙晶有關（延伸閱讀1）。

晶體結構為簡單體心立方結構（body-centered cubic）的高熵合金特性則有所不同。這類合金通常由高熔點的耐火元素構成，它們的室溫延性較低，但在高溫時通常有極佳的強度表現。例如NbMoTaW、VNbMoTaW 等耐火高熵合金在高溫下的軟化幅度非常小，因此高溫強度遠高於目前商用的高溫材料（鎳基超合金），甚至在1600℃的降伏強度（yield strength）〔註〕仍高達400 百萬帕（MPa），極為罕見（圖一b）。

[ 註 ] 降伏強度是指材料從彈性變形，轉變為塑性變形（無法恢復原狀）的應力強度

提升合金強度的常見方法

一般而言，強度與延性是材料最為重要的兩個機械性質指標，例如降伏強度就是指要讓合金開始變形所需要施加的應力。合金的強度可採用多種方式加以強化，包括固溶強化（solid solution hardening）、細晶強化（grain boundary hardening）、析出強化（precipitation hardening）、應變強化（strain hardening）等。……【更多內容請閱讀科學月刊第658期】