當(dāng)金屬材料內(nèi)部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強度將依Hall-Petch關(guān)系大幅度提高。但當(dāng)納米晶金屬塑性變形時,位錯變得極難在如此小的晶粒內(nèi)部保留下來，導(dǎo)致材料喪失應(yīng)變硬化能力，很容易發(fā)生塑性變形局域化而失穩(wěn)。

近期，由吉林大學(xué)、西安交通大學(xué)、悉尼大學(xué)、南京理工大學(xué)等組成的研究團隊，對超高強納米金屬的應(yīng)變硬化提出了一種新的機制，并依此路徑設(shè)計了新穎的高性能合金。相關(guān)研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”為題于北京時間2022年4月13日在Nature上在線發(fā)表。文章共同第一作者為吉林大學(xué)李恒博士、西安交通大學(xué)宗洪祥教授和李蘇植教授。共同通訊作者為吉林大學(xué)韓雙副教授、西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室丁向東教授、南京理工大學(xué)沙剛教授、悉尼大學(xué)廖曉舟教授和西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室馬恩教授。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w

上述研究團隊以NiCo合金作為模型材料，利用脈沖電沉積工藝，在面心立方單相雙主元固溶體合金中構(gòu)筑出了由納米晶粒（晶粒尺寸26 nm）及其內(nèi)部多尺度成分起伏（1-10 nm）組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯能和晶格應(yīng)變場的明顯起伏，其發(fā)生的空間尺度恰能有效地與位錯交互作用，從而改變了位錯動力學(xué)行為，使位錯運動呈現(xiàn)出遲滯、間歇、纏結(jié)的特征，促使其在納米晶粒內(nèi)部有效增殖存儲，提高了材料的應(yīng)變硬化能力。另一方面，由于位錯線不再平直均勻前行，而是粘滯滑移，一段段地“納米片段脫捕”，這一激活過程提高了位錯運動的應(yīng)變速率敏感性，提升了應(yīng)變速率硬化能力。

在應(yīng)變硬化與應(yīng)變速率硬化的共同作用下，該納米合金在超高流變應(yīng)力水平上展現(xiàn)出獨特的強度與塑性的優(yōu)化配置，達到了單相面心立方金屬（包括傳統(tǒng)的溶劑—溶質(zhì)固溶體）前所未有的新高度：材料的屈服強度達到1.6 GPa，最高拉伸強度接近2.3 GPa，拉伸斷裂應(yīng)變可達16%。要實現(xiàn)這樣的強塑性，過去要靠超高強鋼，但后者均為復(fù)雜多相、且易發(fā)生呂德斯帶形變和韌脆轉(zhuǎn)變。

本研究中展示的是一種基于納米尺度（1-10 納米）明顯成分起伏與運動位錯間相互作用的強化機制，不同于基于原子半徑差的傳統(tǒng)固溶強化—即單個溶質(zhì)原子與位錯應(yīng)力場間的相互作用。通過選擇合適的合金體系或制備工藝，這一結(jié)構(gòu)-成分復(fù)合調(diào)控理念可望為新型合金材料的設(shè)計與開發(fā)開辟新的思路。

該工作由多個研究小組通力合作完成。吉林大學(xué)韓雙副教授、西安交通大學(xué)丁向東教授和孫軍院士共同提出了項目構(gòu)想并指導(dǎo)團隊實施了相關(guān)合金制備、力學(xué)性能實驗與分子動力學(xué)數(shù)值模擬工作。西安交通大學(xué)馬恩教授凝練了核心科學(xué)問題并主導(dǎo)了對結(jié)果的理解和論文的撰寫。該研究的電子顯微分析工作由悉尼大學(xué)廖曉舟教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊完成。南京理工大學(xué)沙剛教授團隊通過原子探針分析揭示了多尺度成分起伏的存在。研究涉及的同步輻射X射線表征、測試和分析由香港城市大學(xué)任洋教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊完成。該研究得到國家自然科學(xué)基金、創(chuàng)新引智111計劃2.0項目、澳大利亞研究理事會、國家留學(xué)基金委員會和吉林省科技發(fā)展計劃項目的資助。

圖1 NiCo合金中由納米晶粒和多尺度成分起伏構(gòu)成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖2 具有多尺度成分起伏的納米晶NiCo合金實現(xiàn)了強度和塑性的協(xié)同提升

圖3 NiCo合金納米晶粒內(nèi)部的位錯塞積

圖4 位錯與成分起伏的相互作用