導(dǎo)讀：具有納米晶粒的金屬具有接近 2 GPa的超高強(qiáng)度。然而，這種極端的晶界強(qiáng)化導(dǎo)致幾乎所有的拉伸延展性喪失，包括金屬具有面心立方結(jié)構(gòu)—所有晶體結(jié)構(gòu)中延展性最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。在這里，本文證明了納米晶鎳鈷固溶體雖然仍然是面心立方單相，但顯示出約 2.3 吉帕的拉伸強(qiáng)度和約 16% 的斷裂伸長(zhǎng)率，具有可觀的延展性。這種不尋常的抗拉強(qiáng)度和延展性結(jié)合是通過高濃度固溶體中的成分波動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。起伏使層錯(cuò)能和晶格應(yīng)變?cè)?1 到 10 納米范圍內(nèi)的長(zhǎng)度尺度上發(fā)生空間變化，從而顯著影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。盡管納米晶粒內(nèi)部的空間非常有限，但位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)變得緩慢，促進(jìn)了它們的相互作用、互鎖和積累。結(jié)果，流動(dòng)應(yīng)力增加，同時(shí)促進(jìn)了位錯(cuò)儲(chǔ)存，增加了應(yīng)變硬化，從而增加了延展性。同時(shí)，沿位錯(cuò)線的鏈段脫陷需要較小的活化體積，因此應(yīng)變率敏感性增加，這也穩(wěn)定了拉伸流動(dòng)。因此，抗位錯(cuò)傳播的起伏景觀提供了一種加強(qiáng)機(jī)制，可在高流動(dòng)應(yīng)力下保持拉伸延展性。

近年來，人們不斷努力將晶粒穩(wěn)定在納米尺寸范圍內(nèi)。這種納米晶 (NC) 材料的機(jī)械強(qiáng)度預(yù)計(jì)將增加超過 1 GPa，甚至接近某些金屬的2 GPa水平。然而，這種晶界 (GB) 硬化伴隨著拉伸延展性的降低，斷裂伸長(zhǎng)率下降到不到幾個(gè)百分點(diǎn)，使 NC 金屬幾乎無法使用。這種權(quán)衡并不奇怪，因?yàn)槲⑿〉?NC 晶粒缺乏應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化的能力，而這對(duì)于維持塑性應(yīng)變至關(guān)重要 . 由于內(nèi)部背應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線僅在屈服開始后短暫增加。這種名義上的“應(yīng)變硬化”會(huì)在塑性應(yīng)變的百分之幾內(nèi)迅速耗盡。對(duì)于連續(xù)加入塑性流動(dòng)的NC晶粒內(nèi)部的內(nèi)在加工硬化，產(chǎn)生的位錯(cuò)迅速從一個(gè)GB（源）穿過湮滅到其他GB中，幾乎沒有機(jī)會(huì)保留在內(nèi)部。這種位錯(cuò)儲(chǔ)存的缺乏剝奪了金屬最有效的應(yīng)變硬化機(jī)制。

因此，需要設(shè)計(jì)一種強(qiáng)化機(jī)制，該機(jī)制還可以賦予 NC 晶粒額外的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化，以使應(yīng)變離域并避免塑性不穩(wěn)定性。我們利用高度濃縮的固溶體來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。我們的設(shè)計(jì)策略概述如下。中心思想從最近出現(xiàn)的高熵合金 (HEA) 中得到啟發(fā)，它們是由多種主要元素組成的合金；不同水平的不均勻性已被證明可以分散晶格內(nèi)的位錯(cuò)活動(dòng)，從而提高強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。然而，報(bào)告的 HEA 的機(jī)械性能變化有來自已知機(jī)制的巨大貢獻(xiàn)，例如錯(cuò)配體積和局部化學(xué)排序，從而掩蓋了成分波動(dòng)的作用。

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。在這里，我們選擇使用單相面心立方 (fcc) 鎳鈷 (NiCo) 固溶體。Ni 和 Co 具有相似的原子尺寸和彈性模量，混合熱幾乎為零. 因此，NiCo 固溶體接近于“隨機(jī)溶液”，對(duì)傳統(tǒng)的固溶體硬化沒有太多期望，這可能會(huì)掩蓋濃縮合金元素波動(dòng)的目標(biāo)效果。由于化學(xué)有序區(qū)域或第二相的沉淀，Ni-Co 系統(tǒng)也沒有潛在的并發(fā)癥，這可能（不利地）影響拉伸延展性。通過這種方式，濃度不均勻性作為與均勻 fcc 金屬的關(guān)鍵區(qū)別被分離出來。此外，我們的 NiCo 溶液將具有接近相等的原子組成。除了這種高濃度溶液已知的明顯的統(tǒng)計(jì)濃度波動(dòng)，我們特意使用電沉積作為制造路線，以進(jìn)一步升級(jí)成分波動(dòng)，不僅在其大小方面，而且在其長(zhǎng)度尺度方面（即，匹配位錯(cuò)最有可能響應(yīng)的特征長(zhǎng)度 . 在這種高度集中的合金中，堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 不是單值屬性，而是在空間上隨位置變化。將形成異常崎嶇的景觀以抵抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)緩慢并在應(yīng)變時(shí)促進(jìn)位錯(cuò)堵塞。這提高了流動(dòng)應(yīng)力和加工硬化率。同時(shí)，由于需要激活捕獲的位錯(cuò)段，應(yīng)變率敏感性也增加了。我們的機(jī)制同時(shí)賦予了額外的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化，因此在超高流動(dòng)應(yīng)力下保持了拉伸延展性。實(shí)現(xiàn)這種理想的組合一直是 NC 金屬面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

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

近等原子NiCo固溶體是通過電化學(xué)沉積產(chǎn)生的，這是一種自下而上且對(duì)工業(yè)友好的方法，可以合成多種納米材料。這種非平衡樣品制備路線有利于成分調(diào)整（方法）。沉積的樣品由大致等軸的 NC 晶粒組成（圖1a）并具有單相 fcc 晶體結(jié)構(gòu)（圖1b，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1）。在沉積的材料中可以檢測(cè)到輕微的（111）纖維織構(gòu)，這是與濃溶液合金電沉積相關(guān)的典型生長(zhǎng)織構(gòu)（補(bǔ)充圖1 ））。晶粒尺寸跨越平均值約為 26 nm 的范圍（圖1c）。大多數(shù)晶粒被高角度 GB 隔開（補(bǔ)充圖2）。沒有沉淀或有序相（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2）。使用原子探針斷層掃描 (APT) 進(jìn)行的定量化學(xué)分析表明，整體的整體成分約為 50-at% Co（示例參見擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3）。

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2a和擴(kuò)展數(shù)據(jù) 圖5顯示了工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。它們顯示出高達(dá)約 1.6 GPa 的屈服強(qiáng)度 (σy) 和高達(dá)約 2.3 GPa 的極限抗拉強(qiáng)度 ( σUTS ) ，同時(shí)具有良好的延展性，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率約為 14-16%。樣品顯示了剪切斷裂和正常拉伸斷裂的混合，具有頸縮和凹坑斷裂表面，這是韌性 fcc 材料的特征（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6）。不同批次的重復(fù)測(cè)試顯示一致的結(jié)果（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5）。與作為我們基準(zhǔn)的基準(zhǔn)金屬 NC Ni、NC Co 和多層 (ML) NiCo 合金（參考文獻(xiàn) 6、24、25 ，也包括在圖2a 中）相比，強(qiáng)度和延展性同時(shí)增加。這是強(qiáng)化 NC 金屬的顯著成果，避免了正常的權(quán)衡。

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

透射電子顯微鏡 (TEM) 觀察還揭示了納米晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的儲(chǔ)存，包括部分位錯(cuò)，以及非解離和解離的全位錯(cuò)，如圖3a-d所示。解離距離從幾納米到幾十納米不等（。重要的是，非解離和解離全位錯(cuò)的位錯(cuò)相互作用在變形體積中產(chǎn)生了許多 Lomer 鎖和 Lomer-Cottrell (L-C) 鎖（圖3d-f）。以前在一些 HEA 中觀察到了類似的位錯(cuò)構(gòu)型. 如此高密度的移動(dòng)和固定位錯(cuò)提供了位錯(cuò)障礙，造成了異常的應(yīng)變硬化能力和觀察到的超高屈服后流動(dòng)應(yīng)力，根據(jù)泰勒位錯(cuò)硬化方程，對(duì)流動(dòng)應(yīng)力貢獻(xiàn)了大約 0.6 GPa（圖2d）。同樣，這種位錯(cuò)積累水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 NC 金屬和稀合金的正常水平，其中拉伸應(yīng)變不會(huì)在納米晶粒內(nèi)存儲(chǔ)如此高的位錯(cuò)密度。

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

總之，除了眾所周知的 NC 晶粒強(qiáng)化之外，我們還利用了另一個(gè)旋鈕：即固溶體中的高濃度及其多尺度空間波動(dòng)，以及局部 SFE 的廣泛變化。晶格內(nèi)部的成分波動(dòng)可以有目的地在長(zhǎng)度尺度上進(jìn)行調(diào)制，從而有效地影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并且在電鍍濃縮溶液中很容易實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，面對(duì)移動(dòng)位錯(cuò)的景觀變得粗糙，需要不同的局部 SFE，并需要從局部有利區(qū)域激活去捕獲。這對(duì)位錯(cuò)傳播施加了阻力，同時(shí)提高了位錯(cuò)互鎖和積累的機(jī)會(huì)，這對(duì)于應(yīng)變硬化特別有用（即使初始屈服強(qiáng)度沒有大幅提高）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，原本平淡無奇的晶格中的成分波動(dòng)引入了一種創(chuàng)新但普遍適用的路線，該路線能夠同時(shí)施加額外的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化，以延長(zhǎng)超高流動(dòng)應(yīng)力下的拉伸延展性。因此，我們的工作擴(kuò)展了冶金設(shè)計(jì)，并提供了探索強(qiáng)度-延展性領(lǐng)域迄今為止未知領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。以延長(zhǎng)超高流動(dòng)應(yīng)力下的拉伸延展性。