屈服強(qiáng)度和加工硬化是金屬結(jié)構(gòu)材料的兩個關(guān)鍵力學(xué)性能。然而，通過傳統(tǒng)強(qiáng)化機(jī)制提高屈服強(qiáng)度通常會限制進(jìn)一步的位錯增殖和相互作用，從而顯著降低加工硬化能力。這在材料設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)這兩種性能之間的最佳平衡帶來了挑戰(zhàn)。

中科院金屬所張宏偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)焦增寶團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種創(chuàng)新方法，可在一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)、納米析出強(qiáng)化合金中同時(shí)提高屈服強(qiáng)度和加工硬化能力。該合金展現(xiàn)出超過1.5 GPa的屈服強(qiáng)度和高達(dá)6 GPa的加工硬化率的優(yōu)異組合，從而獲得了高達(dá)2.2 GPa的顯著抗拉強(qiáng)度和20%的均勻延伸率。其超高屈服強(qiáng)度主要?dú)w因于納米析出相和超細(xì)晶粒的存在，而卓越的加工硬化則主要源于異質(zhì)界面誘導(dǎo)的孿晶。

粗晶區(qū)與超細(xì)晶區(qū)之間的異質(zhì)變形導(dǎo)致界面附近出現(xiàn)位錯塞積和應(yīng)變梯度，產(chǎn)生了激活機(jī)械孿晶所需的超高應(yīng)力，從而大幅提升了合金的加工硬化能力和塑性變形穩(wěn)定性。這種異質(zhì)界面構(gòu)筑策略有望廣泛應(yīng)用于多種合金體系，為設(shè)計(jì)具有卓越力學(xué)性能、適用于先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的新型材料提供了新思路。

該文章的共同第一作者為中國科學(xué)院金屬研究所楊一童博士生、龐景宇副研究員，共同通訊作者為中國科學(xué)院金屬研究所張宏偉研究員、王威研究員、香港理工大學(xué)焦增寶副教授，該工作以[Ultrahigh Strength and Exceptional Work Hardening in a Hierarchical-Structured Alloy via Hetero-Interface-Mediated Twinning]為題發(fā)表于Advanced Science。論文DOI：10.1002/advs.202509584

圖1. 合金的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)（HHDP）顯微組織：a EBSD反極圖(IPF)顯示了層狀異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)，包括粗晶粒和超細(xì)晶粒區(qū)域；b 粒度分布的直方圖；c 粗晶和超細(xì)晶區(qū)域的HAADF STEM圖像；d, e 粗晶區(qū)域的HAADF-STEM和HR-STEM圖像，證明了FCC晶粒內(nèi)相干L1₂納米顆粒的均勻沉淀；f 超細(xì)晶區(qū)域的HAADF-STEM和EDS圖像，顯示了三種類型的超細(xì)晶粒：L1₂有序晶粒、包含L1₂納米顆粒的FCC晶粒和沒有析出相的FCC晶粒；g L1₂有序超細(xì)晶粒的HR-STEM圖像，以晶界處無序的晶粒間納米層為特征；h 包含L1₂納米顆粒的超細(xì)FCC顆粒的HR-STEM圖像；I HHDP合金獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的示意圖

圖2. HHDP合金的機(jī)械性能：a 室溫下HHDP合金（紅色）的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，包括固溶態(tài)（藍(lán)色）和常規(guī)固溶和時(shí)效（灰色）樣品的曲線用于對比；b HHDP合金和參考合金的加工硬化速率曲線；c HHDP合金和其他高性能合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比與屈服強(qiáng)度的比較；d HHDP合金和文獻(xiàn)中其他高性能合金的抗拉強(qiáng)度和均勻伸長率的乘積與抗拉強(qiáng)度的對比

圖3. HHDP合金的微觀變形機(jī)制：a, b 分別在3%和17%拉伸應(yīng)變下變形樣品的EBSD圖像；c 在17%拉伸應(yīng)變下的變形樣品的TEM圖像，顯示了在粗晶和超細(xì)晶界面附近的應(yīng)變梯度區(qū)(TW-SGZ) 中變形孿晶的形成；d, e HR-TEM 圖像和來自形變孿晶的幾何相分析（GPA）圖；f 顯示從ISF到ESF轉(zhuǎn)變的HR-TEM圖像；g HR-STEM圖像說明了a/6<112>型滑移位錯的相互作用，通過在（111）面上的連續(xù)滑移，觸發(fā)了ESF的形成；h 隨著應(yīng)變增加顯微結(jié)構(gòu)演變的示意圖