高強度材料常因缺乏加工硬化而受到損害，使其易出現開裂和災難性失效。具體來說，通過添加一種或多種元素的合金化方法可以提高純金屬和合金的強度，但往往會不可避免地降低塑性和韌性。由于元素在晶界( GBs )的偏析，合金化有時會面臨晶間脆化問題 。例如，錫青銅合金（添加了2~20 wt.%的Sn以及其他元素如Zn、Pb、Ni、Al ）已被廣泛研究，以獲得比純銅更高的強度。但是由于脆性富錫δ偏析相沿晶界處填充，會誘發災難性的沿晶斷裂，導致錫青銅合金表現出有限的加工硬化穩定性，因此其塑性變形能力較低 。

最近一種具有吸引力的方法是利用納米析出相來顯著強化金屬而不損失甚至提高塑性。其優異的強度源于共格或半共格的  納米析出相，這些析出相呈均勻分布，產生大量的共格應變。同時，具有較小晶格失配的共格或半共格納米析出相-基體界面有助于減少位錯的塞積，從而緩解了加載時界面處的應力集中，降低了界面開裂的傾向，有利于保持良好的塑性。盡管如此，在多元合金(一類具有廣闊應用潛力的高強度低塑性材料)中在保持強度提高的前提下實現顯著的塑性提升仍然具有挑戰性。

在這里，北京科技大學王自東教授、陳凱旋副教授等人報告了一種“晶內超細納米析出”策略，在塑性差的錫青銅合金(即Cu-12Sn-1.5Ni合金)中實現了一種非常穩定的應變硬化響應，顯著提高了塑性，并且伴隨著強度的提升。具體來說，原始鑄態Cu-12Sn-1.5Ni合金的抗拉強度 σ_u 為327.36±11.55 MPa，屈服強度σ_y為182.58±1.39 MPa，大約是粗晶純銅的3倍(63±3 MPa ), 但伴隨著較差的均勻延伸率ε_u為6.70±1.49%，約為純銅(32±2% )的1/8。通過添加微量的Fe元素（<0.1 wt.%），我們在Cu-12Sn-1.5 Ni合金晶粒內部實現了高數量密度的超細Fe納米析出相（ultra-nano Fe precipitation，簡寫為un-Fe）的均勻彌散分布，并且這些納米Fe析出相具有極小的晶格錯配度。細小彌散分布的晶內納米Fe相不僅緩解了晶間斷裂，還通過納米Fe相-位錯相互作用激活了穩定的應變硬化機制，從而形成超高塑性（ε_u約為20%）和強度提高（σ_u約為400 MPa，σ_y約為200 MPa）的獨特組合。晶內超細納米析出是一種很有前景的方法，未來可以廣泛用于制造高塑韌性和高強度的合金。

圖1a、b、d、e、g、h的OM顯微組織表征表明，Cu-12Sn-1.5Ni-xFe (x=0, 0.08, 0.83 wt. %)鑄態合金均具有粗大的樹枝狀枝晶組織，并且枝晶之間存在δ相。OM表征表明，與Cu-12Sn-1.5Ni合金（d_grain=97.0±16.8 μm，A_δ=11.20±1.26）相比，Cu-12Sn-1.5Ni-0.08Fe合金的晶粒尺寸（d_grain）和δ相的面積分數（A_δ）略有降低（d_grain=95.6±15.5 μm，A_δ=10.12±1.79%）。而在Cu-12Sn-1.5Ni-0.83Fe合金中，可以觀察到晶粒尺寸d_grain明顯降低至80.7±13.3 μm，同時A_δ為10.25±1.66%，與Cu-12Sn1.5Ni-0.08Fe合金相近。晶粒尺寸的減小與先前報道的Fe摻雜在銅 [24]和銅合金[13,14,,]中誘導晶粒的細化的結果一致，這是由于原位形成的Fe納米析出相的異質形核作用 [13,14]。

圖1f中的TEM圖顯示，Cu-12Sn-1.5Ni-0.08Fe合金中析出了高數量密度的（1.3×10²³ m⁻³，見表1）超細點狀Fe納米析出相（直徑為5.0 ± 2.7 nm，見圖1k），且分布高度均勻。相比之下，圖1i可以看到，在Cu-12Sn-1.5Ni-0.83Fe合金中，分散良好的點狀（直徑為5.7 ± 1.7 nm，圖1l）和球狀（直徑為35.4 ± 7.6 nm，圖1m）的Fe納米析出相的數量密度較低（0.1×10²³ m⁻³，表1）。后者合金中的Fe納米析出相的尺寸分布更寬（圖1k-m），且體積分數更高（表1）。通過STEM-EDS對點狀和球狀Fe納米析出相的富鐵成分進行了驗證（圖1j）。關于析出相特征的詳細評估可參見補充數據的第1節。由于在Cu-12Sn-1.5Ni-(0.08, 0.83)Fe合金中，點狀Fe納米析出相的尺寸極小，因此將點狀的Fe超細納米析出相被稱為超細納米Fe（un-Fe）。而在Cu-12Sn-1.5Ni-0.83Fe合金中尺寸分布更寬的球狀Fe納米析出相（15-55 nm，圖1i，l和m）被稱為納米Fe（n-Fe）。納米顆粒誘導的晶粒細化只有在顆粒具有高效能（良好的晶體學匹配關系且尺寸適當）、足夠的數量密度、合適的尺寸和足夠寬的尺寸分布時才會發生[32,33]。在這種情況下，不同于Cu-12Sn-1.5Ni-0.83Fe合金中具有良好組合un-Fe和n-Fe的明顯晶粒細化效果（圖1g），單獨具有超細尺寸且尺寸分布范圍較窄的un-Fe對銅熔體的異質成核能力和效率較低，因此對銅晶粒細化效果很弱（圖1d）

采用HRTEM對un-Fe和n-Fe顆粒進行表征（圖2）。從<112>_Cu帶軸拍攝的圖像（圖2a）的快速傅里葉變換（FFT）圖譜顯示，un-Fe顆粒和銅基體均為面心立方（FCC）結構，二者呈cube-on-cube的取向關系（OR）。圖2a表明，un-Fe/Cu界面清晰且完全共格，理論晶格錯配度δ值極低，僅為0.0069，un-Fe顆粒周圍沒有明顯的晶格畸變。需要注意，0.0069的δ值是通過理論計算得出的，計算公式為δ=2(a_Cu-a_Fe)/(a_Cu+a_Fe) ，其中a_Cu和a_Fe分別是純Cu和γ-Fe的晶格參數 (a_Cu=0.3615, a_Fe=0.359 [,])。原則上，un-Fe顆粒和銅基體之間的晶格錯配度受到其他合金元素（如Sn和Ni）的影響。顆粒主要由Fe組成，而基體主要由Cu組成，因此此處的晶格失配僅考慮純Cu和純Fe。此外，以真實原子尺度分辨率在圖2b中15個平面層進行測量計算得到了un-Fe顆粒和Cu基體的(111)面的晶面間距d₍₁₁₁₎，其平均值分別為0.1976 nm和0.1959 nm。因此實驗計算(111)_γ-Fe 和(111)_Cu 晶面之間的d值錯配度為0.008nm。這種低的晶格錯配度降低了析出相的形核勢壘，從而使具有高數量密度和超細尺寸的un-Fe析出相得以形成和穩定。結合FFT濾波圖像（圖2b）和晶格條紋的強度變化（圖2c），可以在HAADF-STEM下確定單個顆粒的尺寸。HAADF成像的襯度來源于低原子序數，因此，暗柱應該由Fe原子的分區引起。

圖3.鑄態Cu-12Sn-1.5Ni-(0,0.08,0.83wt.%)Fe合金的力學性能。(a)無Fe、un-Fe增強和un-Fe+n-Fe共增強銅合金(分別為0、0.08、0.83wt.%Fe) 的工程應力-應變曲線；(b) 實驗測得的三種Cu合金的應變硬化率Θ=dσ/dε（其中σ和ε分別為真應力和真應變）；(c)應變硬化指數（n=d(lnσ)/d(ln?)）隨真應變的變化。(d)拉伸性能和硬度柱狀圖(HV0.3)，其中誤差棒代表標準差，表示每種狀態下進行的多次測試的離散程度；(e) un-Fe增強銅合金與其他鑄造錫青銅合金的抗拉強度與總伸長率（?_total）的比較[14,48-56] ，表明un-Fe增強超出了傳統的塑性與強度關系范圍；(f) 分別采用分子動力學模擬得到的嵌有球狀FCC Fe粒子（直徑分別為15.880 nm、12.410 nm、6.896 nm和3.998 nm）的30.3×30.3×30.3 nm³ Cu-Fe體系下沿[001]方向的工程應力-應變曲線（詳見附加數據中的圖S3，第4節），表明較小的顆粒產生更大的抗拉強度和塑性。

根據Hall-Petch關系[,]，在Cu-12Sn-1.5Ni-(0.08, 0.83 wt. %) Fe合金中，晶粒細化有限，平均晶粒尺寸減小了1.4 μm和16.3 μm，對屈服強度σ_y的貢獻很小，分別為0.1 MPa和1.3 MPa，因此Fe增強銅合金屈服強度的提高主要歸因于納米析出強化。在該材料中，un-Fe和n-Fe在Cu基體內提供了更強的相界面，需要更高的應力才能使位錯切過或繞過。我們結合位錯-顆粒相互作用的TEM表征研究了Fe增強銅合金的強化機制。圖4為預先經過0.5%變形處理的Cu-12Sn-1.5Ni-(0.08, 0.83)Fe合金中位錯與Fe納米析出相相互作用的BF-TEM圖像。位錯在n-Fe/Cu界面上堆積（圖4a中的I區域）或者弓出（圖4a中的II區域）。顯然，n-Fe顆粒沒有被滑移位錯剪切。相反，位錯被un-Fe/Cu界面釘扎，歸因于位錯與un-Fe顆粒之間的相互作用，un-Fe似乎被位錯剪切（圖4b中黃色箭頭標注）。因此，由un-Fe和n-Fe顆粒引起的位錯釘扎促進了位錯相互作用而提高強度 []。

研究表明，顆粒剪切和Orowan環機制[26,,]描述了納米析出強化的屈服強度。因此，我們通過使用模量強化（?σ_Modulus）和共格強化（?σ_Coherency）模型[46]，估算了完全共格的un-Fe對Cu-12Sn-1.5Ni-0.08Fe合金的σ_y貢獻分別為約38 MPa和約46 MPa，接近實驗結果的25.99 MPa。同樣在Cu-12Sn-1.5Ni-0.83Fe合金中，un-Fe (?σ_Modulus模量強化約13 MPa，?σ_Coherency共格強化約16 MPa) 和半共格的n-Fe (~123 MPa，通過Orowan環模型估計) ，二者對σ_y的總強化貢獻約為~136/~139 MPa，基本上與實際σ_y增量58.60 MPa一致。關于強化響應的估計細節請參閱補充資料的第2部分。需要注意的是，由于強化模型中使用的參數（表S2，補充資料）以及納米析出相的統計結果（表1）不可避免的存在偏差，因此估算的強化貢獻不能與實驗值完全一致。