大多數合金及其微觀結構在過去幾十年中已經開發出來，以在室溫和高溫下提供所需的力學性能。然而，盡管在這一領域成本限制不太嚴格，但用于高強度和耐損傷低溫應用的材料選擇卻較少。例如，沉淀硬化一直是提高合金強度的最成功策略之一，通過阻礙位錯運動，從而需要更高的載荷來維持塑性變形。然而，在低溫條件下，由于在沉淀相-基體界面處形成位錯塞和高應力集中，這種方法以犧牲延展性為代價，這兩個特征都促進了這些部位的損傷起始。在某些面心立方（fcc）材料中形成共格沉淀物可以在一定程度上減少損傷起始傾向，因為與非共格和半共格界面相比，其界面能較低。然而，由于反相邊界能高以及圍繞它們形成的位錯環阻礙了隨后的位錯運動，當這些沉淀物在長時間時效后尺寸足夠大時，仍然可以發展出強烈的異質應力場。與這些已建立的硬化機制及其在傳統稀薄合金中已知的固有缺點相比，亞納米尺度化學短程有序（SRO）特征對力學性能的影響尚未被充分理解。這些原子排序團簇似乎在一些中熵合金和高熵合金（MEAs和HEAs）中形成，這是由于組成元素之間的局部焓相互作用與這些合金基于的熵主導的固溶體之間的微妙相互作用。高度分散且均勻分布的SRO區域，以及它們對位錯滑移的抑制作用以及相關的低應力和應變不均勻性，結果證明是低溫下理想的強化機制，但潛在的強化機制及其可調性至今仍不清楚。

在此，華東理工大學張顯程教授和德國馬克思普朗克可持續材料研究所Dierk Raabe院士等人（共同通訊作者）在基于CoNiV的合金中引入了一種雙尺度原子排序納米結構，該結構以極高的數量密度的（約2.4×10²⁶ m^-3）亞納米尺度短程有序和（約4.5×10²⁵ m^-3）納米尺度長程有序域為特征，這些有序域共存于金屬固溶體基體中，以改善低溫下的強度和延展性的協同作用。結果顯示，由于納米尺度長程有序的位錯阻擋效應以及由此產生的新位錯，使得位錯剪切應力增加以及位錯增殖速度加快。后一種效應還釋放了納米尺度長程有序障礙物處的應力集中，否則這些應力集中會促進損傷的起始和失效。因此，該合金在87 K時展現出約1.2 GPa的屈服強度和76 GPa%的強度-延伸率乘積，優于缺乏這種有序層次結構的材料，這些材料僅包含短程有序或幾十納米尺寸的共格沉淀物。本文的結果突出了雙共存化學有序對復雜合金力學性能的影響，并為控制這些有序狀態以增強其低溫應用的力學性能提供了指導。

相關研究成果以“Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys”為題發表在Nature上。

1、在基于CoNiV的合金中實現了納米結構設計策略，其組成為Co₃₂Ni₃₂V₃₂Al₂Ti₂（原子百分比）。釩（V）與鈷（Co）和鎳（Ni）之間的焓相互作用，以及它們在原子尺寸和剪切模量上的顯著不匹配，促進了局部化學短程有序的形成。

2、納米尺度長程有序的位錯阻擋效應以及由此產生的新位錯，使得位錯剪切應力增加以及位錯增殖速度加快，且后一種效應還釋放了納米尺度長程有序障礙物處的應力集中。

圖1、本文CoNiV-AlTi樣品的微觀結構和雙尺度化學有序。

圖2、研究合金在87 K時的低溫拉伸性能。

圖3、CoNiV-AlTi合金的典型變形亞結構。

圖4、含有不同有序結構的樣品（CoNiV-AlTi、CoNiV(SS)和CoNiV(SSA)）的溫度依賴性力學行為。

綜上所述，作者表明雙尺度短程到長程化學有序策略可以顯著改善金屬合金在低溫下的力學性能。這兩種有序結構限制了位錯的平均自由程，并在低溫下提供更高的摩擦應力（賦予強度）和更快的位錯增殖率（增強應變硬化能力），與沒有這種有序層次結構的參考樣品相比。這種（亞）納米尺度微觀結構策略與廣泛采用的沉淀硬化方法不同，后者會產生局部應力峰值，可能導致損傷起始。還在基于NiCrFe和CoCrNi的中熵合金（MEAs）中驗證了雙尺度化學有序方法在改善低溫強度-延展性協同作用方面的有效性，證明了概念的普遍性。因此，本文的工作擴展了微觀結構設計，彌補了此前缺乏使合金能夠承受惡劣低溫環境的有效手段。

文獻鏈接：“Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties inCoNiV-based alloys”（Nature，2024，10.1038/s41586-025-09458-1）