諸如C, N和O，是一種有吸引力的合金元素，因為在間隙位置上的小原子會產生強烈的晶格畸變，從而大大增強金屬。然而，當間隙含量超過一個臨界但較低的值（如2 at.%），脆性陶瓷通常會形成如氧化物和碳化物，而不是固溶體，從而顯著降低合金的變形能力。

在此，來自西安交通大學吳戈、中南大學李志明、德國馬普朗所的Dierk Raabe等研究者，引入了一類大量間隙固溶體（MISS）合金，通過使用高度扭曲的置換晶格使大量間隙固溶作為一個額外的主族元素類，而不形成陶瓷相。相關論文以題為“Massive interstitial solid solution alloys achieve near-theoretical strength”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28706-w

人類使用金屬元素的混合物來制造堅固的合金歷史已經超過了5000年。在置換型固溶體合金中，溶劑晶格原子被溶質置換，其尺寸和電子失配導致的畸變阻礙了位錯的運動，提高了材料的強度。近年來發展起來的高熵合金，包含復雜的多主族元素的濃固溶體，得益于大量的置換固溶體強化，取得了部分優異的力學性能。

當置換原子混合所能得到的最大晶格畸變設定了一個上界時，置換方案在進一步改善性質方面接近其極限。因此，間隙體是有吸引力的置換合金元素，因為間隙位上的小原子比置換原子產生更高的晶格畸變，從而大大增強金屬。在Fe-C鋼中，間隙體具有較強的強化作用，在Fe中只摻入~0.1% wt% C，可使強度提高~300 MPa。間隙與晶格缺陷（如位錯、晶界和沉淀物）的強相互作用，提供了多種強化途徑。盡管間隙合金具有較高的強度，但要達到近一個世紀前Frenkel提出的G/10（G是材料的剪切模量）左右的理論強度極限，一直是一個挑戰。總的來說，合金的變形能力隨著間隙含量的增加而降低。此外，當間隙含量超過一個臨界但較低的值（如2 at%）時，脆性陶瓷通常會形成如氧化物和碳化物，而不是固溶體，從而顯著降低合金的變形能力。

在此，研究者提出了一種解決上述問題的方法，即通過引入大量間隙固溶體（MISS）合金的概念。MISS合金的概念是通過使用集中的體心立方（bcc）置換固溶體作為高度變形的基體來實現的，這允許引入大量的間隙體作為額外的主族元素類。在濃縮的置換固溶體中，原子大小的差異造成了廣泛的擴展和壓縮的間隙位分布，能夠解決大量的間隙。它還破壞了間隙位置的對稱性，從而抵消了長程有序氧化物/碳化物的形成。大量的間隙含量，也降低了合金體系的自由混合焓，有利于固溶穩定性。因此，MISS合金的概念顛覆了以前的合金設計策略，這些策略是基于忽略或小的間隙摻雜。更具體地說，研究者把MISS合金定義為含5 at%以上間隙的固溶體。在bcc型TiNbZr-O-C-N MISS體系中，間隙O含量達到12 at%，未形成陶瓷相。該合金的抗壓屈服強度達到4.2 GPa，接近理論極限，以及較大的室溫壓縮變形能力（65%應變），且無局部剪切變形。MISS概念，為開發具有優異力學性能的金屬材料提供了一條新的途徑。

圖1  （TiNbZr）86O12C1N1（O-12）MISS合金和等原子TiNbZr（基）合金的顯微組織。

圖2 O-12 MISS合金的APT和XRD表征。

圖3 TiNbZr-O-C-N MISS合金和標準等原子TiNbZr基合金的力學性能。

圖4 O-12 MISS合金的變形機理。

綜上所述，研究者演示了一種反直覺的合金設計方法，即將大量的間隙成分作為一組額外的主族元素混合到扭曲的基體中，而不是僅使用通常的少量間隙摻雜。這類合金被稱為MISS。代表性的（TiNbZr）86O12C1N1（at%） MISS合金，在壓縮過程中獲得了4.2 GPa的超高屈服強度，接近~G/10的理論強度極限。接近理論的抗壓強度主要歸因于O間隙的數量（12 at%），這強烈地阻礙了位錯的形核和運動。在高應力水平下，O隙促進位錯的增殖，而C和N向晶界的偏析抑制了局部變形。這兩種效應促進了微柱壓縮條件下變形驅動的晶粒細化，使微柱具有較高的變形能力（65%的應變不產生局部剪切變形）。

這種合金設計策略適用于多種材料，包括由多種主族元素組成的合金，并可能為研究大量間隙摻雜固溶體中的塑性變形本質提供基礎。