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西安交大&香港城大《Science》：2.6GPa！超高強(qiáng)合金的韌化設(shè)計(jì)新突破！

2025-01-24 16:06:46 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

更高的強(qiáng)度和更大的拉伸塑性是結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的永恒目標(biāo)。然而，合金的拉伸強(qiáng)度提升至超高水平后（如>2.5 GPa），應(yīng)變硬化能力通常難以在如此高的流變應(yīng)力下得到維持。因此，此類合金的均勻延伸率通常<5%應(yīng)變。近日，西安交大金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微納尺度材料行為研究中心（CAMP-Nano）吳戈教授-單智偉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心呂堅(jiān)院士、西安交大劉暢教授與西安交大劉思達(dá)教授，設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新納米結(jié)構(gòu)，即短程有序界面與超納析出相的結(jié)合，來克服此難題。其中，超納（Supra-nano）概念為吳戈教授與呂堅(jiān)院士在Nature 545, 80 (2017)中提出，意為結(jié)構(gòu)特征尺寸小于10 nm。通過在材料中引入超納結(jié)構(gòu)單元，整體材料會(huì)展現(xiàn)出一些奇異性能。如，在多晶材料中，通過將晶界結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為超納非晶相，可克服晶界的軟化效應(yīng)，使材料的強(qiáng)度提升至近理論值（吳戈、呂堅(jiān)等，Nature 545, 80 (2017)；Nat. Commun. 10, 5099 (2019)）。在非晶材料中，通過兩種超納非晶疇的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使整體非晶合金具備均勻塑性流變行為，克服非晶合金的脆性問題（吳戈等，Nat. Commun. 14, 3670 (2023)）。本研究中，超納析出相（S-L1₂）大幅提高了FCC-BCC雙相合金的應(yīng)變硬化能力。

另外，短程有序界面可視為一種新的晶界復(fù)合體，可有效提高屈服強(qiáng)度以及避免塑性變形過程中的晶界開裂。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得細(xì)晶VCoNi-W-Cu-Al-B合金（SS-合金，Supra-nano+SRO）實(shí)現(xiàn)了2.6 GPa的抗拉強(qiáng)度和10%的均勻延伸率。與其它權(quán)威期刊報(bào)道的合金相比，SS-合金具備異常優(yōu)異的強(qiáng)度和均勻延伸率組合。

此工作以“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”為題發(fā)表在Science。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一作者單位和第一通訊單位。吳戈教授（西安交通大學(xué)）為論文第一通訊作者，閆永強(qiáng)博士生（西安交通大學(xué)）為論文第一作者，察文豪科研助理（西安交通大學(xué)）為論文共同一作。呂堅(jiān)院士（香港城市大學(xué)）、劉暢教授（西安交通大學(xué)）及劉思達(dá)教授（西安交通大學(xué)）為論文共同通訊作者。作者包括：?jiǎn)沃莻ソ淌冢ㄎ靼步煌ù髮W(xué)），馬焱助理教授（荷蘭代爾夫特理工大學(xué)），欒軍華博士（香港城市大學(xué)），饒梓元副教授（上海交通大學(xué)）。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委-香港研資局合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目及國(guó)家青年人才計(jì)劃的支持。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4917

區(qū)別于以往報(bào)道的位于晶粒內(nèi)部的短程序，本研究中調(diào)控短程序在晶界附近偏聚（與FCC基體具有正的界面作用能），形成短程有序界面，實(shí)現(xiàn)了與晶界相關(guān)的顯著強(qiáng)化和塑化機(jī)制。此SS-合金為細(xì)晶FCC-BCC雙相合金（兩相的晶粒尺寸均為1 μm）。較小的晶粒尺寸使得位錯(cuò)與晶界的交互作用被增強(qiáng)。因此，FCC相中短程有序界面的強(qiáng)塑化作用顯著。短程序在晶界附近的偏聚有效提高了抵抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的應(yīng)力水平，使得屈服強(qiáng)度大幅提升至2.2 GPa。在塑性變形過程中，晶界附近的短程序會(huì)發(fā)生向無序固溶體的轉(zhuǎn)變，降低了晶界附近的應(yīng)力集中，避免界面開裂。另一方面，在FCC晶粒內(nèi)部析出的超納L1₂相，相比于短程序（<1 nm）有較大的尺寸（0.5~4 nm），因此其對(duì)位錯(cuò)和層錯(cuò)有更強(qiáng)的釘扎效應(yīng)。因此，塑性變形過程中位錯(cuò)在晶粒內(nèi)部持續(xù)增殖和累積，提高了合金的應(yīng)變硬化能力。此外，由于塑性變形過程中的超高應(yīng)力水平，在FCC-BCC相界面處發(fā)生BCC到FCC的相變（FCC相分?jǐn)?shù)增加7.7%）。相界面附近的異質(zhì)變形帶來背應(yīng)力硬化效應(yīng)，促進(jìn)應(yīng)變硬化，而變形過程中的動(dòng)態(tài)相變會(huì)緩解相界面處的應(yīng)力集中，使合金的均勻拉伸變形得到維持。這些變形機(jī)制促使變形過程中流變應(yīng)力的持續(xù)增加，直至合金在2.6 GPa應(yīng)力、10%應(yīng)變時(shí)斷裂。本研究中晶粒內(nèi)部和晶界附近的有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略為實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)合金的優(yōu)異均勻延伸率（且具備持續(xù)應(yīng)變硬化）提供了一條新途徑。

圖1 SS-合金的結(jié)構(gòu)。(A) 三維EBSD反極圖(IPF)。(B)為(A)中方形區(qū)域的相分布圖，顯示FCC-BCC雙相結(jié)構(gòu)。(C) 三維重構(gòu)APT數(shù)據(jù)集。(D)為(C)中箭頭所示區(qū)域的成分圖。(E) MD計(jì)算結(jié)果示意圖，顯示SRO和S-L1₂顆粒分別在晶界附近偏聚和晶粒內(nèi)部析出。(F) FCC相的HAADF-STEM圖。(G)為(F)的FFT圖。(H)為(F)中綠色虛線矩形區(qū)域放大的HAADF-STEM圖。(I)和(J)分別對(duì)應(yīng)(G)中SRO和S-L1₂彌散圓盤和衍射斑點(diǎn)的IFT圖。(K) 利用(G)中FCC、SRO和S-L1₂的彌散圓盤和衍射斑點(diǎn)疊加的IFT圖。

圖2 SS-合金的室溫拉伸性能。(A) 具有不同SRO和S-L1₂含量合金的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(B) 合金在拉伸過程中的應(yīng)變硬化率。插圖為拉伸過程中SS-合金中FCC相的位錯(cuò)密度演化圖。(C) 本研究中的SS-合金與其他超強(qiáng)多主元合金的室溫拉伸力學(xué)性能對(duì)比圖。

圖3 SS-合金中FCC相在拉伸過程中的結(jié)構(gòu)演變。(A-D) FCC相在不同拉伸應(yīng)變下的明場(chǎng)TEM圖，顯示了位錯(cuò)和層錯(cuò)的演變。(E) FCC相在9.5%拉伸應(yīng)變下的ABF- STEM圖。(E₁和E₂) 分別從(E)中紅色和綠色方形區(qū)域得到的FFT圖。(E₃)為(E)中位錯(cuò)富集區(qū)放大的HAADF-STEM圖。 (E₄) 為(E₃)基于GPA的對(duì)應(yīng)應(yīng)變圖。(F) 為(E₃)生成的疊加IFT圖，顯示位錯(cuò)/層錯(cuò)與S-L1₂相之間的交互作用。(F₁)為(F)中虛線矩形區(qū)域的放大圖。(G) FCC區(qū)域未變形狀態(tài)下晶界附近的HAADF-STEM圖。(G₁)為(G)中紅色方形區(qū)域生成的疊加IFT圖，顯示SRO在晶界附近偏聚。(H) FCC區(qū)域經(jīng)過9.5%拉伸應(yīng)變后的HAADF-STEM圖。(H₁)為(H)中紅色方形區(qū)域生成的疊加IFT圖。變形后，SRO在晶界附近以及晶粒內(nèi)的分布是均勻的，表明位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)破壞了原本在晶界附近的SRO，使其發(fā)生有序向無序轉(zhuǎn)變。(I) 拉伸前SS合金的KAM圖，顯示應(yīng)力主要集中在晶界附近，這是由于短程序在晶界附近偏聚造成的，對(duì)屈服強(qiáng)度的提升有較強(qiáng)作用。(J) 拉伸后SS合金的KAM圖，晶界附近和晶粒內(nèi)部的應(yīng)力集中情況類似，即應(yīng)力非局域化，有利于維持均勻塑性變形。

圖4 SS-合金的變形機(jī)制。(A-C) FCC相近晶界區(qū)域拉伸變形過程中的結(jié)構(gòu)演變(SRO、L1₂、位錯(cuò)和層錯(cuò))示意圖。(A) 拉伸前SRO和S-L1₂顆粒分別在晶界附近區(qū)域偏聚和晶粒內(nèi)部析出。(B) 拉伸過程中晶界附近的短程有序結(jié)構(gòu)向無序固溶體轉(zhuǎn)變，釋放了晶界附近的應(yīng)力集中。(C) 由于S-L1₂顆粒的釘扎效應(yīng)比SRO強(qiáng)，變形過程中大量位錯(cuò)和層錯(cuò)在晶粒內(nèi)部持續(xù)累積。(D和E) 拉伸前后SS合金同一區(qū)域的EBSD相分布圖，顯示相界面處BCC到FCC的相變。(F和G) 拉伸前后有序BCC相的TEM圖。顯示拉伸后BCC相內(nèi)的位錯(cuò)密度增大。

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