當(dāng)金屬材料內(nèi)部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強(qiáng)度將依Hall-Petch關(guān)系大幅度提高。但當(dāng)納米晶金屬塑性變形時(shí),位錯(cuò)變得極難在如此小的晶粒內(nèi)部保留下來(lái)，導(dǎo)致材料喪失應(yīng)變硬化能力，很容易發(fā)生塑性變形局域化而失穩(wěn)。

近期，由吉林大學(xué)、西安交通大學(xué)、悉尼大學(xué)、南京理工大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)超高強(qiáng)納米金屬的應(yīng)變硬化提出了一種新的機(jī)制，并依此路徑設(shè)計(jì)了新穎的高性能合金。相關(guān)研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”為題于北京時(shí)間2022年4月13日在Nature上在線發(fā)表。文章共同第一作者為吉林大學(xué)李恒博士、西安交通大學(xué)宗洪祥教授和李蘇植教授。共同通訊作者為吉林大學(xué)韓雙副教授、西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室丁向東教授、南京理工大學(xué)沙剛教授、悉尼大學(xué)廖曉舟教授和西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬恩教授。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w

上述研究團(tuán)隊(duì)以NiCo合金作為模型材料，利用脈沖電沉積工藝，在面心立方單相雙主元固溶體合金中構(gòu)筑出了由納米晶粒（晶粒尺寸26 nm）及其內(nèi)部多尺度成分起伏（1-10 nm）組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯(cuò)能和晶格應(yīng)變場(chǎng)的明顯起伏，其發(fā)生的空間尺度恰能有效地與位錯(cuò)交互作用，從而改變了位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)行為，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出遲滯、間歇、纏結(jié)的特征，促使其在納米晶粒內(nèi)部有效增殖存儲(chǔ)，提高了材料的應(yīng)變硬化能力。另一方面，由于位錯(cuò)線不再平直均勻前行，而是粘滯滑移，一段段地“納米片段脫捕”，這一激活過(guò)程提高了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)變速率敏感性，提升了應(yīng)變速率硬化能力。

在應(yīng)變硬化與應(yīng)變速率硬化的共同作用下，該納米合金在超高流變應(yīng)力水平上展現(xiàn)出獨(dú)特的強(qiáng)度與塑性的優(yōu)化配置，達(dá)到了單相面心立方金屬（包括傳統(tǒng)的溶劑—溶質(zhì)固溶體）前所未有的新高度：材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到1.6 GPa，最高拉伸強(qiáng)度接近2.3 GPa，拉伸斷裂應(yīng)變可達(dá)16%。要實(shí)現(xiàn)這樣的強(qiáng)塑性，過(guò)去要靠超高強(qiáng)鋼，但后者均為復(fù)雜多相、且易發(fā)生呂德斯帶形變和韌脆轉(zhuǎn)變。

本研究中展示的是一種基于納米尺度（1-10 納米）明顯成分起伏與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)間相互作用的強(qiáng)化機(jī)制，不同于基于原子半徑差的傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化—即單個(gè)溶質(zhì)原子與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)間的相互作用。通過(guò)選擇合適的合金體系或制備工藝，這一結(jié)構(gòu)-成分復(fù)合調(diào)控理念可望為新型合金材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)開辟新的思路。

該工作由多個(gè)研究小組通力合作完成。吉林大學(xué)韓雙副教授、西安交通大學(xué)丁向東教授和孫軍院士共同提出了項(xiàng)目構(gòu)想并指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)實(shí)施了相關(guān)合金制備、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬工作。西安交通大學(xué)馬恩教授凝練了核心科學(xué)問(wèn)題并主導(dǎo)了對(duì)結(jié)果的理解和論文的撰寫。該研究的電子顯微分析工作由悉尼大學(xué)廖曉舟教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)完成。南京理工大學(xué)沙剛教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)原子探針?lè)治鼋沂玖硕喑叨瘸煞制鸱拇嬖凇Ｑ芯可婕暗耐捷椛鋁射線表征、測(cè)試和分析由香港城市大學(xué)任洋教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)完成。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、創(chuàng)新引智111計(jì)劃2.0項(xiàng)目、澳大利亞研究理事會(huì)、國(guó)家留學(xué)基金委員會(huì)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

圖1 NiCo合金中由納米晶粒和多尺度成分起伏構(gòu)成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖2 具有多尺度成分起伏的納米晶NiCo合金實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提升

圖3 NiCo合金納米晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)塞積

圖4 位錯(cuò)與成分起伏的相互作用