近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系逯文君研究員，聯(lián)合燕山大學(xué)張新宇教授和安豐超博士，報(bào)道了一種通過合金化和短時(shí)熱處理調(diào)控微觀組織，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)FCC基成分復(fù)雜合金高強(qiáng)、輕質(zhì)兼具塑性的實(shí)驗(yàn)策略，并在Acta Materialia上發(fā)表。研究表明，通過引入Al和C元素并配合短時(shí)退火處理，可在CoNiV基合金中構(gòu)筑一種新型的FCC/L2₁異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，即L2₁顆粒強(qiáng)化的FCC基體+FCC顆粒軟化的L2₁島。結(jié)果表明，FCC/L2₁異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)促使多級(jí)應(yīng)變硬化機(jī)制，包括HDI硬化、位錯(cuò)滑移、納米孿晶及9R結(jié)構(gòu)，從而獲得超高比屈服強(qiáng)度（226 MPa cm³/g）和14%的均勻塑性。此外，FCC/L2₁異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)FCC/L2₁雙相的梯度應(yīng)變，顯著降低應(yīng)變局域化和界面裂紋萌生。這一新型策略為設(shè)計(jì)優(yōu)異力學(xué)性能的成分復(fù)雜合金提供新思路。

相關(guān)研究成果以題：“Designing ultrahigh-strength lightweight compositionally complex alloys through heterostructural composite engineering”發(fā)表在Elsevier旗下旗艦期刊Acta Materialia上。燕山大學(xué)安豐超博士為論文第一作者，南方科技大學(xué)逯文君研究員和燕山大學(xué)張新宇教授為本論文通訊作者。

論文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425006615

近年來，在金屬結(jié)構(gòu)材料中構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)成為提高力學(xué)性能的重要途徑。然而，異構(gòu)界面在促使異構(gòu)變形和提高應(yīng)變硬化能力同時(shí)，常常成為應(yīng)變局域化和裂紋過早萌生的源頭。研究表明，眾多雙相體系，如高熵合金中FCC/B2、FCC/L2₁，FeMnAlC鋼中FCC/B2等，雙相之間較大的硬度差異，致使硬相的塑性變形嚴(yán)重受限，如金屬間化合物B2和L2₁。這種巨大的硬度差異導(dǎo)致雙相異構(gòu)界面的應(yīng)變不匹配，從而在塑性變形中形成異構(gòu)界面的應(yīng)變局域化，進(jìn)而犧牲材料的強(qiáng)塑性。因此，減緩塑性變形過程中異構(gòu)界面的應(yīng)變局域化成為優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變硬化機(jī)制的新思路。

為了解決這一問題，南方科技大學(xué)逯文君研究員和燕山大學(xué)張新宇教授以CoNiV成分復(fù)雜合金為模型材料，通過短時(shí)退火和引入Al、C元素，成功構(gòu)筑了一種新型的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，即“L2₁強(qiáng)化FCC基體”+“FCC軟化L2₁島”的“軟、硬”搭配的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。力學(xué)性能結(jié)果表明，引入FCC/L2₁異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)大幅提高合金的強(qiáng)度，如屈服強(qiáng)度（1.6 GPa），抗拉強(qiáng)度（1.76 GPa），同時(shí)合金塑性未發(fā)生明顯犧牲（均勻延伸率為14%）。此外，相比于已報(bào)道的析出強(qiáng)化FCC基和BCC基成分復(fù)雜合金，異構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化的CoNiV基合金具有優(yōu)異的比屈服強(qiáng)度，如圖2所示。透射電鏡對(duì)變形后的微觀組織表征發(fā)現(xiàn)，在FCC基體中，位錯(cuò)作為一種主要的變形機(jī)制，位錯(cuò)平面滑移產(chǎn)生的微帶，層錯(cuò)交互形成的L-C鎖，位錯(cuò)與L2₁交互產(chǎn)生的析出強(qiáng)化以及L2₁有限的塑性變形能力，有效地強(qiáng)化CoNiV基合金，如圖3。其次，高應(yīng)變過程中，超高的真抗拉強(qiáng)度（2 GPa以上）超過臨界孿晶應(yīng)力，促使第二種變形機(jī)制——變形孿晶的形成。位錯(cuò)與孿晶交互和9R結(jié)構(gòu)的形成進(jìn)一步改善了合金的強(qiáng)塑性，如圖4。在L2₁島中，大量的FCC相發(fā)生塑性變形，有效地軟化L2₁島，減緩應(yīng)變集中，從而阻礙微裂紋在L2₁島中萌生和擴(kuò)展，如圖5和6。此外，通過準(zhǔn)原位微觀DIC和有限元模擬分析表明，FCC/L2₁異構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)中多種的異構(gòu)界面，如RX/L2₁顆粒，RX/NRX，NRX/L2₁針，L2₁島/FCC顆粒，在變形中形成梯度應(yīng)變，大幅提高異構(gòu)強(qiáng)化貢獻(xiàn)，顯著減緩異構(gòu)界面應(yīng)變集中，提高異構(gòu)應(yīng)變硬化能力。該研究為解決異構(gòu)界面局域化和設(shè)計(jì)高性能成分復(fù)雜合金提供重要的設(shè)計(jì)指南。

圖1 添加Al-C的CoNiV合金的微觀組織演變和FCC/L2₁雙相分布。

圖2 添加Al-C的CoNiV合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(b)，加工硬化率曲線(c)，比屈服強(qiáng)度-均勻延伸率對(duì)比圖(d)，循環(huán)加載曲線(e)及HDI stress曲線(f)。

圖3 拉伸變形后異構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)，FCC基體的位錯(cuò)交互行為和L2₁顆粒變形行為。

圖4 拉伸變形后異構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)，FCC基體中變形孿晶演變行為和9R結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。

圖5 拉伸變形后異構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)中，FCC顆粒軟化L2₁島的組織形貌特征。

圖6 (a)-(g)傳統(tǒng)雙相異質(zhì)結(jié)構(gòu)中微裂紋演變行為，(h)-(k)異構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)中微裂紋演變行為。

【招聘信息】

燕山大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料團(tuán)隊(duì)和逯文君課題組長期招聘博士后，有意向者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷（PDF）等相關(guān)材料發(fā)送至fengchaoan@ysu.edu.cn和luwj@sustech.edu.cn，郵件標(biāo)題請(qǐng)注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)聘單位“

【團(tuán)隊(duì)介紹】

燕山大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料團(tuán)隊(duì)介紹：

燕山大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為中國工程院院士劉日平教授和國家杰出青年基金獲得者張新宇教授。團(tuán)隊(duì)長期從事新型高性能材料設(shè)計(jì)、開發(fā)和服役研究工作，提出了一系列新型亞穩(wěn)材料的設(shè)計(jì)新方法，發(fā)明了亞穩(wěn)材料制備新技術(shù)，開發(fā)了多種高性能金屬結(jié)構(gòu)材料（鋯合金、鈦合金和高強(qiáng)鋼等），解決了嚴(yán)苛腐蝕、嚴(yán)重磨損等極端環(huán)境下服役的關(guān)鍵材料難題，在航空航天、海洋、電子等領(lǐng)域獲得推廣與應(yīng)用。目前，團(tuán)隊(duì)有固定成員10人，包括中國工程院院士1人、國家級(jí)高層次人才1人、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者2人和國家高層次青年人才1人。團(tuán)隊(duì)先后主持973計(jì)劃項(xiàng)目、863項(xiàng)目、國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目等50余項(xiàng)。獲國家和省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。在Nature communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Materials Today, Acta Materialia和Nano Letters等國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文500 多篇。獲授權(quán)國家發(fā)明專利100多項(xiàng)。招聘方向：（1）鋯合金、鈦合金和高強(qiáng)鋼等相關(guān)方向；（2）金屬材料強(qiáng)韌化、相變研究、增材制造等相關(guān)方向。

逯文君研究員及團(tuán)隊(duì)介紹：

逯文君研究員于2020年10月加入南方科技大學(xué)獨(dú)立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)榻饘倥c陶瓷材料的結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)化、高強(qiáng)輕質(zhì)化及多維表征技術(shù)的研究，在亞穩(wěn)多主元合金的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)、新型高強(qiáng)輕質(zhì)鋼的開發(fā)、以及多維電鏡表征方法三方面取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。近年來，在Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上發(fā)表論文150余篇。先后獲得國家級(jí)青年人才、深圳市海外高層次人才以及新材料國際發(fā)展趨勢(shì)高層論壇優(yōu)秀青年科學(xué)家獎(jiǎng)（2021）。擔(dān)任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materials》、《中國有色金屬學(xué)報(bào)》與《粉末冶金材料科學(xué)與工程》期刊青年編委；連續(xù)四年（2021 -2024）入選全球前2%頂尖科學(xué)家名單。