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馬普所《Nature》子刊：新型合金設計策略，實現4.2GPa近理論強度！

2022-03-03 15:25:17 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

高強高塑性合金在航空航天、汽車運輸、精密制造等領域有廣泛應用，因此，研發具備超高強度與大均勻塑性變形能力的新型合金是材料領域的重要發展方向之一。然而，金屬材料的實際強度通常遠遠低于理論值（理論強度=剪切模量/10）。并且，合金的均勻塑性變形能力通常隨著強度的提升而降低，即材料領域常見的“強度-塑性相互掣肘”難題。

原子尺寸較小的間隙元素如O、C、N在合金中位于晶格的間隙位置，可以引起劇烈的晶格畸變，有效阻礙位錯運動。因此，間隙固溶強化可以大幅提升合金強度。然而，傳統間隙固溶合金的間隙元素含量通常較低（< 2 at.%），難以將強度提升至近理論極限。此外，間隙固溶合金的塑性變形能力通常隨間隙元素含量提升而降低，特別是當間隙元素含量超過一定數值（如2 at.%）時，容易生成脆性陶瓷相如氧化物、碳化物，大幅降低合金的塑性。

針對這一問題，德國馬普鋼鐵所研究團隊提出了一種新的超強高塑性合金設計策略：使用具備劇烈晶格畸變的多組元合金作為基體，引入大量間隙固溶元素，從而獲得近理論強度與大塑性均勻變形能力。研究團隊將此類新型合金命名為 “大量間隙固溶（MISS）合金” 。研究團隊借助熱力學理論指導，結合高熵合金的過飽和置換固溶體特性，將等原子比TiNbZr合金作為基體，成功在該合金中引入12 at.%的間隙O元素，并且沒有生成氧化物，合金保持單相體心立方（BCC）結構。這一大量間隙固溶合金具備4.2 GPa的超高屈服強度（換算為剪切強度=剪切模量/18），接近理論極限（剪切模量/10），和優異的均勻塑性變形能力（在微柱壓縮試驗中能均勻變形至65%應變）。

相關成果以“Massive interstitial solid solution alloys achieve near-theoretical strength”為題發表在國際著名期刊Nature子刊《Nature Communications》。劉暢博士（馬普所）為論文第一作者，通訊作者為吳戈教授（西安交通大學）、李志明教授（中南大學）和DierkRaabe院士（馬普所）。其他作者還包括逯文君助理教授，夏文真教授，杜朝偉博士，饒梓元博士，James P. Best博士，SteffenBrinckmann博士，呂堅院士，Baptiste Gault教授，Gerhard Dehm教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28706-w

圖1 大量間隙固溶O-12合金與等原子比TiNbZr合金的結構

（a）O-12合金與（b）TiNbZr合金的截面與平面透射電鏡（TEM）圖片。x-y面為合金表面，z面為合金截面。（a, b）右上方插圖是針對截面試樣的典型選區電子衍射（SAED）花樣，顯示了單相BCC結構；右下方插圖是相應合金的晶粒尺寸分布統計。（c, d, e ）環形明場掃描透射電子顯微圖（ABF-STEM），展示O-12合金的結構，且沒有氧化物生成

圖2 大量間隙固溶O-12合金的原子探針層析（APT）及X射線衍射（XRD）表征結果。

（a）APT數據的三維重構圖。（b）在（a）中箭頭所示區域的1D成分圖。（c）從APT數據中截取的薄片顯示2組{1 1 0}晶面，晶格間距為0.24nm。（d）O-12合金與TiNbZr合金的XRD數據，顯示單相BCC結構。

圖3 大量間隙固溶O-12合金的力學性能。

（a）壓縮應力-應變曲線，插圖為O-12微米柱在壓縮試驗前的SEM圖像。（b）彎曲試驗載荷-位移曲線，插圖顯示金剛石壓頭與O-12懸臂梁在彎曲試驗時的SEM圖像。（c, d）塑性變形后的微米柱與懸臂梁。（e）大量間隙固溶O-6合金不同壓縮應變下的TEM截面圖。

圖4 大量間隙固溶O-12合金的塑性變形機制。

（a）65%壓縮應變的O-12微米柱的典型TEM截面圖，顯示變形前40 nm左右直徑的柱狀晶在塑性變形后被細化為10nm左右直徑的等軸晶。插圖為相應的SAED圖。（b）高分辨TEM（HRTEM）圖像，顯示沿[11 1]帶軸觀察的O-12微米柱變形后的晶粒，插圖為對應的FFT圖。（c）APT數據的三維重構圖，顯示了塑性變形后O-12微米柱內的晶界形狀變彎曲。（d）在（c）圖中箭頭所示區域的1D成分圖，O-12合金在變形后的晶界成分相較變形前基本沒有改變。

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