單相面心立方（SP-FCC）合金通常具有良好的延展性，這使其成為結構應用的理想選擇，由其是在零下溫度的條件下。它們也是各種多相或復合工程材料（例如鎳基高溫合金）中不可替代的故障延遲基質。設計高強度SP-FCC合金對于提高這些工程材料的承載能力具有顯著的優點。傳統工藝中SP合金的強化依賴于引入各種會影響位錯起始能力或位錯流動性的缺陷。這些缺陷主要包括位錯、溶質和晶界。其中，大面積冷加工產生的高密度位錯可能導致延性急劇犧牲。相比之下，溶質和晶界是兩種關鍵的介質，它們可以在不嚴重犧牲延展性的情況下增強SP-FCC材料，甚至在某些情況下有利于延展性。因此，最大化這兩種增強貢獻是設計高強度SP-FCC合金同時保持其高延展性的理想方法。

溶質誘導固溶強化（Δσ_ss）起源于位錯應力場與溶質原子局部應變之間的彈性相互作用，影響位錯遷移率。高/中熵合金（H/MEAs）的最新發展促使越來越多的SP-FCC合金的設計高屈服強度（σ_y），通過引入相當大的組成復雜性來最大限度地利用溶質效應。以五元CoCrFeMnNi合金為代表的基準高熵合金表現出優于大多數傳統FCC合金的強度延展性整體性能;它的子合金之一，三元CoCrNi基合金表現出更好的機械性能。CoCrNi合金的強度最近被另一種中熵合金NiCoV合金超越，通過進一步提高溶質效應，NiCoV的性能沒有被任何其他SP-FCC合金所超越。大量的理論模型表明Δ σ_ss在高/中熵以及傳統的SP-FCC合金中與體積失配密切相關，體積失配是一種結構特征，反映了由組成元素周圍的不同原子環境引起的平均局部應變。另一方面，晶界誘導強化（Δσ_gb）取決于邊界處的應力集中程度，以達到可以激活附近晶粒中位錯源的臨界水平。從位錯成核機理來看，最近的一些研究表明，具有更明顯的晶格摩擦的SP-FCC合金往往對晶粒尺寸具有更高的屈服強度敏感性（所謂的霍爾-佩奇系數，k_HP)。這很好地表明了使用體積不配合作為高強度SP-FCC合金的設計標準的可能性。

基于上述場景，湖南大學吳正剛教授團隊聯合香港城市大學、東北大學、國立臺灣大學、田納西大學等知名高校依靠失配體積最大化策略成功設計出具有優異屈服強度（∼1.05GPa）和良好延展性（∼37%）的SP-FCC合金。由此產生的成分簡單的合金具有比所有現有SP-FCC合金更嚴重的體積不配合，導致有史以來最高的k_HP和體現的 Δσ_ss。從根本上說，我們的工作強調，失配體積可以作為k_HP的相關指標，并證明螺釘位錯也可以控制具有極端晶格畸變的SP-FCC合金的強化，這在以前的研究中被忽視了。相關研究成果以題“Achieving superb strength in single-phase FCC alloys via maximizing volume misfit”發表在Materials Today上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702123000329

圖1（a）不同鎳基二元合金的失配參數δ作為溶質濃度的函數。（b） Ni₈₀Mo₂₀與其他SP-FCC合金的失配參數δ比較。（c）霍爾-佩奇系數和（d）摩擦應力與SP-FCC合金中δ的相關性。

圖2Ni₈₀Mo₂₀的代表組織。Ni₈₀Mo₂₀分別在(a) 800℃、(b) 900℃、(C) 1000℃和(d) 1100℃退火1 h的EBSD逆極圖(IPF)圖。插圖顯示了相應的XRD圖譜。(e) Ni₈₀Mo₂₀在900°C退火1 h后的低倍率HAADF-STEM圖像和(f)高分辨率HAADF-STEM圖像。右側圖像為SAED圖案或相應的STEM-EDS圖。SAED模式證實Ni₈₀Mo₂₀是具有FCC結構的SP固溶體。STEM-EDS圖譜也證實了Ni和Mo在晶界處沒有明顯的化學偏析和結構轉變。(g)晶粒內部的HAADF-STEM顯微照片和g中紅色和綠色平方區域的(g1, g2)強度線輪廓。(h) Ni和Mo原子的3D APT重建。(i)元素頻率分布分析。經STEM和APT分析，證實無局部化學波動。

圖3非凡的強度-延展性組合。(a)不同晶粒尺寸Ni₈₀Mo₂₀的典型工程應力-應變曲線。(b) Ni₈₀Mo₂₀等金屬材料的屈服強度與總伸長率的關系，(c)極限抗拉強度與總伸長率的關系(表S2)。(d) Ni₈₀Mo₂₀和CoCrFeMnNi、CoCrFeNi、CoCrNi、NiCoV、Ni_63.2V_36.8、Ni等幾種FCC合金屈服強度對晶粒尺寸的依賴關系(見圖)。S4、S5和S6為NiCoV和Ni_63.2V_36.8的代表性微觀結構、工程應力-應變曲線和霍爾-佩奇關系，如本研究中再現的)。(e) 霍爾-佩奇系數和(f)不同SP-FCC材料的摩擦應力(表S3)。

圖4活性位錯的實驗和理論證明。(a) 900°C-1 h退火Ni₈₀Mo₂₀合金在工程應變分別為0%、4%、7%和8%時的高能x射線衍射圖。(b)位錯特征參數q隨工程應變的演化。q的值由卷積多重整體剖面(CMWP)得到。(c)在工程應變分別為4%、7%和8%時，根據改進的Williamson-Hall， ΔK² vs K²C曲線。(d)塑性應變為5%的900°C-1 h退火Ni₈₀Mo₂₀合金在和附近的雙束條件下的TEM圖像和(e) 環形亮場(ABF)-STEM圖像。紅色和藍色線分別為邊緣位錯和螺釘位錯。(f)對應于(e)的平投影。Ni₈₀Mo₂₀合金中具有邊緣位錯(g)和螺旋位錯(h)的Mo溶質之間的相互作用。數值由meV給出的相互作用能著色。(i) Ni₈₀Mo₂₀合金中Mo以位錯核為中心的積分半徑與總相互作用能的關系。NiCoV中V溶質與邊緣(j)位錯和螺旋(k)位錯的相互作用。(l) NiCoV中V的總相互作用能隨位錯核為中心的積分半徑的變化。

圖5晶粒尺寸為4.8 μm的Ni₈₀Mo₂₀合金在(a,b) 2%、(c,d) 15%、(e,f) 22.5%和(g,h)斷裂拉伸應變下的變形組織。SAED圖案取自[110]區域軸。

在本工作中，通過最大限度地提高體積不配合度，設計了一種成分簡單的單相FCC合金，具有優異的強度(約1.05GPa)和良好的延展性(37%)。目標Ni₈₀Mo₂₀合金的體積失配(δ = 5.68%)比現有的任何FCC合金都高，包括常規合金和高中熵合金。這種前所未有的體積不匹配導致了強度對晶粒尺寸的最高靈敏度(k_HP = 1034 MPa·μm^1/2)，使得這種合金通過晶粒細化而具有極高的強度。嚴重的體積失配也給合金帶來了高固溶體強化，盡管目前基于δ的強化理論無法再現實驗值，這是由于各種理論和實驗技術所證明的螺桿位錯在控制強化方面的積極作用。總的來說，目前的發現為設計更先進的性能優異的FCC合金鋪平了一條新的途徑，通過體積不匹配最大化策略最大化并很好地平衡溶質和晶界的貢獻。