金屬材料永恒的力學性能追求是同時兼具高強度和大塑性。然而，高強度往往導致低塑性瓶頸，其原因是高強度下位錯難以形成并儲存，嚴重降低了加工硬化能力。為此，中國科學院力學研究所武曉雷研究員領導的研究團隊，提出了一種加工硬化新策略，即利用并控制已經發生的塑性失穩實現加工硬化，并據此策略獲得了記錄級力學性能。

2024年4月11日，相關研究成果以“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”為題在線發表于Nature Materials期刊上。論文通訊作者為武曉雷研究員，共同第一作者為徐博文、段慧超和陳雪飛博士。

加工硬化是金屬結構材料拉伸塑性的基礎，其前提是拉伸變形時在晶粒內部形成、增殖并儲存的位錯—位錯之間以及位錯與界面和析出相等的交互作用引起的加工硬化。當晶粒細化至納米尺度時，晶粒內部則很難產生并儲存位錯，降低了加工硬化能力，引起低塑性瓶頸。在高強度納米結構金屬中，如何形成并儲存位錯是實現其加工硬化的難題，更是挑戰。近年來，少數超強鋼和多主元合金獲得了2 GPa左右的屈服強度和大于10%的拉伸塑性。上述合金，要么是易于發生馬氏體相變的亞穩態結構，要么內部具有高密度的納米析出相。然而，在大多數傳統合金中，既沒有納米析出相也不存在馬氏體相變，如果這些合金的屈服強度被提升至2.0 GPa左右，其加工硬化能力不足的問題仍然沒有得到解決。

在這項工作中，團隊制備了多主元VCoNi合金納米結構，面心立方結構的納米晶粒包含亞納米尺度化學短程有序和第二相L12金屬間化合物。納米結構的初始拉伸變形是呂德斯帶（Lüders band）擴展，研究人員發現：一旦呂德斯帶開始擴展，在其前端就已經發生了塑性失穩、即早期頸縮（premature necking），在頸縮處隨即形成了三軸應力狀態，促進了高密度位錯的快速產生，其中位錯密度增量為9.3×1014 m-2，位錯增殖速度為4.6×1013 m-2·s-1。這些位錯引起了林位錯加工硬化和異質變形誘導硬化，后者是幾何必需位錯與化學短程有序的應變場之間交互作用的結果。在呂德斯帶擴展過程中，加工硬化體現出關鍵作用—反過來抑制并穩定住了呂德斯帶的失穩擴展，還能使納米結構進行均勻變形。據此，研究人員克服了高強納米結構的低塑性瓶頸，得到屈服強度2.0 GPa和拉伸塑性16%的室溫準靜態拉伸性能，這兩個性能在極端低溫（即液氦和液氮溫度）下提升到了前所未有的2.2 GPa和20%。這些結果展現了一個另辟蹊徑的加工硬化策略，即“低加工硬化能力引起早期塑性失穩—失穩則誘導位錯產生和加工硬化—加工硬化反過來抑制失穩”，是一個“抑制失穩”而非傳統“推遲失穩”的加工硬化策略。

圖1：多主元VCoNi合金的初始微結構。

圖2：室/低溫力學性能和強度-塑性匹配。

圖3：呂德斯帶前端的早期頸縮、塑性響應和位錯增殖。

圖4：拉伸變形后晶粒內部的位錯行為。

圖5：呂德斯帶擴展和均勻變形過程中的加工硬化。

圖6：通過利用并控制早期頸縮實現加工硬化。

此工作拓展了長期以來教科書中對于呂德斯帶變形的傳統理解，揭示了高強納米結構中之前未知的呂德斯帶變形物理，并為研發高力學性能化金屬材料及其極端環境應用提供了新思路。

相關論文信息： https://doi.org/10.1038/s41563-024-01871-7