導(dǎo)讀：在標(biāo)準(zhǔn)載荷下，在具有非常高的層錯(cuò)能 (SFE) 的塊狀面心立方 (FCC) 合金中很少發(fā)現(xiàn)變形孿晶。在這里，基于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們報(bào)告了微米級(jí)成分復(fù)雜鋼(CCS)中的變形孿晶，其SFE高達(dá)~79 mJ/m 2，遠(yuǎn)高于用于FCC鋼孿晶的SFE機(jī)制（ <~50 mJ/m 2) 報(bào)告。通過成分自由度實(shí)現(xiàn)的雙納米沉淀有助于我們的CCS中高達(dá)1.9 GPa的超高真實(shí)拉伸應(yīng)力。強(qiáng)化作用增強(qiáng)了流動(dòng)應(yīng)力，達(dá)到了機(jī)械孿晶開始的高臨界值。反過來，納米孿晶的形成能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的應(yīng)變硬化和增韌機(jī)制，從而提高機(jī)械性能。高應(yīng)力孿晶效應(yīng)引入了迄今為止尚未開發(fā)的強(qiáng)化和增韌機(jī)制，從而能夠設(shè)計(jì)具有改進(jìn)機(jī)械性能的高SFEs合金。

控制結(jié)晶金屬材料機(jī)械性能的塑性變形機(jī)制包括位錯(cuò)、孿晶、堆垛層錯(cuò)和位移相變。雖然前一種缺陷（即位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)保持晶格共格性，但后三種機(jī)制會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱性破壞，表現(xiàn)為密集原子平面的堆疊順序的變化。這種晶體缺陷稱為堆垛層錯(cuò)，其相關(guān)的能量損失稱為堆垛層錯(cuò)能 (SFE)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)上，孿晶、堆垛層錯(cuò)和位移相變由部分位錯(cuò)攜帶，它們具有比完全晶格位錯(cuò)更小的自能，但是當(dāng)被激活時(shí)，部分位錯(cuò)將晶格局部轉(zhuǎn)變?yōu)殄e(cuò)誤的構(gòu)型，從而產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)。出于這個(gè)原因，孿晶、堆垛層錯(cuò)和位移相變可以賦予金屬優(yōu)異的應(yīng)變硬化特性，但在具有相對(duì)較高SFE的塊狀材料中通常不存在。因此，具有高SFE的塊狀合金直到今天還沒有釋放出由機(jī)械孿晶和堆垛層錯(cuò)提供的出色應(yīng)變硬化儲(chǔ)備。

根據(jù)過去幾十年進(jìn)行的先前研究，在具有高SFE的拉伸載荷Fe-Mn-Al-C鋼中也沒有發(fā)現(xiàn)變形孿晶（孿晶上限約為50 mJ/m 2），這是一種很有前途的材料類別由于其低質(zhì)量密度、優(yōu)異的機(jī)械性能和低成本，適用于高要求的工程應(yīng)用。Fe-Mn-Al-C輕鋼的變形最初以位錯(cuò)的平面滑移為主，隨著變形的進(jìn)行，它進(jìn)一步演變成由高密度位錯(cuò)組成的滑帶，盡管對(duì)于這些合金來說，更高的強(qiáng)度-延展性體系仍然無法獲得，因?yàn)榭捎玫膽?yīng)變硬化機(jī)制仍然局限于位錯(cuò)及其與晶界和析出物的相互作用。孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)效應(yīng)作為一種高效的應(yīng)變硬化和增韌機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)有吸引力的機(jī)械性能，但由于它們的高SFE，這些材料仍然無法獲得。

針對(duì)上述問題，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李志明教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了SFE約為79 mJ/m 2的輕質(zhì)復(fù)雜成分鋼 (CCS) 中的變形孿晶和相關(guān)的高強(qiáng)化效應(yīng)。如上所述，在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷條件下，具有如此高SFE的散裝材料通常不可能發(fā)生變形孿晶。CCS是通過將高熵合金(HEA)的概念應(yīng)用于傳統(tǒng)輕質(zhì)Fe-Mn-Al-C鋼的重新設(shè)計(jì)而開發(fā)的一類材料。由高熵概念引入的成分自由度允許將材料的整體成分轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬瑟?dú)特的雙納米沉淀混合物的狀態(tài)??-碳化物（有序面心立方，F(xiàn)CC）和B2（有序體心立方，BCC）相成為可能，產(chǎn)生激活機(jī)械孿晶所需的高強(qiáng)度。通過成分自由度實(shí)現(xiàn)的雙納米沉淀有助于我們的CCS中高達(dá)1.9 GPa的超高真實(shí)拉伸應(yīng)力。強(qiáng)化作用增強(qiáng)了流動(dòng)應(yīng)力，達(dá)到了機(jī)械孿晶開始的高臨界值。反過來，納米孿晶的形成能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的應(yīng)變硬化和增韌機(jī)制，從而提高機(jī)械性能。相關(guān)研究成果以題“High stress twinning in a compositionally complex steel of very high stacking fault energy”發(fā)表在國際著名期刊nature communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31315-2

圖 1顯示了材料在多個(gè)長度尺度上的微觀結(jié)構(gòu)。該合金在奧氏體 γ (FCC) 基體中表現(xiàn)出帶有B2相的部分再結(jié)晶結(jié)構(gòu)，由反極圖(IPF) (圖 1a )和從電子背散射衍射(EBSD)獲得的相圖 (圖 1b )顯示。根據(jù)多張EBSD圖，顯微組織中的再結(jié)晶區(qū)域占57%，平均晶粒尺寸約為1.5 μm，其余（43%）是未再結(jié)晶區(qū)域，平均尺寸較大，約為10 μm。圖 1c中的明場(chǎng)（BF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像顯示了在晶粒內(nèi)部和晶界處幾乎均勻分布的析出物，尺寸為數(shù)百納米。BF STEM分析（圖 1c）還顯示了第二種沉淀物的形成（確定為 -碳化物）與 B2相一起，通過覆蓋B2相和γ基體之間的界面區(qū)域（白色箭頭）或與相似尺寸的B2沉淀物（黑色箭頭）緊密接觸。

圖2 我們使用大塊樣品在室溫下以 1 × 10 -3 ?s -1的相對(duì)低應(yīng)變率對(duì)材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。典型的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 2a所示，其具有接近 1.9 GPa 的超高真抗拉強(qiáng)度。我們CCS的如此高強(qiáng)度顯著優(yōu)于先前設(shè)計(jì)的具有類似SFE的輕鋼（見圖 2a）。除了高密度的位錯(cuò)外，圖 2b中的高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）STEM 圖像顯示在該應(yīng)變階段形成了多個(gè)平行薄板。高分辨率HAADF STEM觀察清楚地揭示了原子平面的孿晶（圖 2c），相應(yīng)的FFT圖進(jìn)一步顯示了<110>基體//<011>孿晶系統(tǒng)，這是FCC合金中常見的孿晶系統(tǒng)（圖2c、2d )。

圖3 為了更好地了解這些機(jī)械孿晶的形成機(jī)制，我們進(jìn)行了原位TEM拉伸試驗(yàn)（圖 3 a - h）。

圖4 我們通過隨后的高分辨率TEM分析進(jìn)一步研究了原位TEM拉伸試驗(yàn)后裂紋附近的樣品區(qū)域。在圖 4a中可以看到多個(gè)雙胞胎，高分辨率TEM圖像顯示出雙胞胎結(jié)構(gòu)（圖 4b）。在原位拉伸試驗(yàn)后也檢測(cè)到多個(gè)堆垛層錯(cuò)（圖 4a）。圖 4c中的TEM圖像揭示了FCC矩陣中原子的錯(cuò)誤堆疊序列。

總之，我們展示了在具有非常高SFE（~79 mJ/m 2）的基于FCC的輕質(zhì)CCS（毫米級(jí)）的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試期間變形納米孿晶的激活，這是一種有趣的機(jī)制組合，具有基本相關(guān)性在金屬材料的塑性變形領(lǐng)域。由于?κ-碳化物和B2相，通過我們特定的合金設(shè)計(jì)策略，CCS 顯示出非常高的拉伸應(yīng)力，從而達(dá)到了迄今為止傳統(tǒng)輕鋼無法達(dá)到的臨界孿晶應(yīng)力。高應(yīng)力孿晶現(xiàn)象在變形后期提供了顯著的應(yīng)變硬化，從而抑制了基體和B2相之間非共格界面處裂紋的形核，從而導(dǎo)致材料具有優(yōu)異的延展性。因此，我們的研究顯示了一種有前途的設(shè)計(jì)策略，通過觸發(fā)具有高SFE的高性能結(jié)構(gòu)材料中以前無法實(shí)現(xiàn)的變形機(jī)制，以提高其機(jī)械性能。