近日，呂昭平教授聯合北大付恩剛教授團隊在Nature materials期刊上發表了關于基于最小晶格錯配超高強度鋼新的抗輻照損傷機制的重量級研究成果。立即引起巨大的反響。該論文一經發表，就受到了國際核材料領域著名專家、美國橡樹嶺國家實驗室Y.W. Zhang研究員的高度評價。他在News & Views專欄在線發表了題為 “Reassembled Nanoprecipitates Resisting Radiation”的推介文章，評價“這項工作不僅鼓勵研究人員重新審視依賴非共格或半共格界面來捕獲輻照引起點缺陷的策略，而且為領域基礎研究發展，以及通過界面穩定性和捕獲強度協同控制抗輻照材料發展提供了前進的道路，通過低成本的傳統方法就可以制備這些材料，意味著其在工程應用中具有很強的實用性”[1]。

實際上，之前關于這一結構設計所研究的結果就已經發表3篇Nature，國內外對這一結構設計理念可謂是欣喜若狂，其不僅能夠提高材料的強韌性以及抗輻照性能，在若干其它領域也展示出了旺盛的生命力。下面，筆者將為大家解讀這些重量級研究成果，并對其進行展望。

【學術干貨】

(1) 基于最小晶格錯配和高密度納米析出的超強鋼

新一代高性能結構材料主要的發展方向是輕質，高強以及節能。馬氏體時效鋼是一類具有馬氏體基體和納米析出顆粒的高強鋼，新一代高性能結構材料的重要候選材料。它們杰出的強度主要來源于半共格析出物引起的顆粒強化，這些共格析出物不可避免地在你基體中非均勻分布，產生較大的共格應變，進而可能促進載荷下的裂紋萌生。本工作設計了基于最小的晶格錯配高密度納米沉淀的超高強度鋼。研究表明，這些高度分散、完全共格的析出相(即析出相的晶格與周圍基體的晶格幾乎相同)，與基體的晶格失配非常低，反相邊界能很高，在不犧牲延性的情況下增強了合金。這種低晶格錯配(0.03-0.04 %)降低了析出物的形核障礙，從而使具有極高數量密度(每立方米超過1024)和小尺寸(約2.7 0.2納米)的納米沉淀物成為可能并穩定下來。粒子周圍最小的彈性失配應變對位錯相互作用沒有太大的貢獻，傳統上這通常是提高強度的主要策略。相反，本工作的強化機制利用了當析出相被位錯切割時產生背應力(反對變形的力)的化學順序效應。從而創造了一類由Ni(Al,Fe)沉淀物強化的鋼，其強度高達2.2GPa，延展性良好(約8.2%)。與傳統的馬氏體時效鋼相比，析出相的化學成分使成本大幅降低，因為它用廉價而輕的鋁取代了必要的但成本很高的合金元素鈷和鈦。這類鋼合金的強化是基于最小的晶格錯配來實現最大的析出相彌散和高切應力(位錯切割共格析出相并因此產生塑性變形所需的應力)，這種晶格錯配設計概念可以應用于許多其他金屬合金。

圖1 馬氏體時效鋼(Al、Fe)固溶退火(950°C/15min)和時效(500°C/3h)的力學性能和典型的STEM圖像；a、拉伸曲線、屈服應力增量和均勻伸長率的變化；b，常規馬氏體時效鋼時效后的抗拉強度和塑性變化；c, d，分別為固溶退火和時效鋼的STEM明場像。插圖顯示了相應微結構的SAED模式。b中紅色數據點上的誤差條表示五組測試均值的標準差[2]。

(2) 通過有序氧復合物提高高熵合金的強塑性

在合金的設計中，O元素的添加通常增加材料的脆性。因此，O元素應該盡量避免。本工作則發現，O在高熵合金中可以以有序氧復合物的形式存在(介于氧化物和隨機間隙之間的狀態)。與傳統的間隙強化不同，這種有序的間隙配合物在成分復雜的固溶高熵合金中導致強度和延展性的空前提高。當將模型TiZrHfNb HEA與2.0%含量的氧摻雜時，拉伸強度增強了(48.5±1.8) %，延展性改善(95.2±8.1)%，從而打破了長期以來的強度延展性掣肘。氧復合物是HEA中有序的納米級區域，其特征為(O, Zr, Ti)富原子復合物，它們是由于HEA中某些取代基元素之間存在化學短程有序而形成。據報道，碳可以通過降低堆錯能和增加晶格摩擦應力，同時提高面心立方HEAs的強度和延展性。而有序的間隙配合物則通過變形過程中Frank-Read源(一種解釋多個位錯產生的機制)的形成，將位錯剪切模式由平面滑移轉變為波浪滑移，并促進雙交叉滑移，從而導致位錯增殖。這種有序的間隙絡合物介導的應變硬化機制在含Ti、Zr和hf的合金中特別有用，在這些合金中，由于其脆化效應，間隙元素是非常不可取的，在合金中調整層錯能和利用非熱轉變不會導致性能增強。這些結果為研究金屬材料中間隙固溶體的作用及其有序強化機制提供了新的思路。

圖2 變形機理；a, TiZrHfNb基HEA在8%拉伸應變下的STEM圖像(黃色箭頭表示共面位錯陣列)；b, 8%拉伸應變下O-2 HEA的STEM圖像(紅色箭頭表示偶極壁)。c, 8%拉伸應變下N-2 HEA的STEM圖像(黃色箭頭表示平面滑移帶)。在基體HEA和氮摻雜N-2 HEA中觀察到典型的平面滑移。而摻雜氧的變體O-2 HEA的變形以波滑為主，表明氧的加入導致了以波滑為主的塑性變形模式。a和c的晶帶軸為[011]，b的晶帶軸為為[001]。d，原位TEM拉伸實驗中TiZrHfNb基HEA和間隙摻雜變體O-2和N-2 HEAs的位錯間距。白色箭頭表示位錯間距。O-2 HEA的平均位錯間距(25.06 3.15 nm)遠小于基底HEA (90.36 14.32 nm)和N-2 HEA (104.06 8.14 nm)。誤差條是均值的標準差[3]。

(3) 一種制備大塊高強高塑的超細晶鋼

亞微米晶粒尺寸的鋼通常具有高的韌性和強度，這使它們在輕量化技術和節能策略方面有前景。到目前為止，超細晶粒(UFG)合金的工業制造，通常依賴于控制擴散相變，一直局限于奧氏體-鐵素體相變鋼。此外，UFG鋼的加工硬化有限，伸長率不均勻，阻礙了其廣泛應用。本工作在典型的Fe 22Mn0.6C孿生誘導塑性鋼中成功地批量生產出UFG結構鋼，主要采用的策略是少量Cu合金化+操縱再結晶過程(在30秒內)+利用共格無序富Cu相的晶內納米沉淀。快速而豐富的納米沉淀不僅阻止了新亞微米級再結晶晶粒的生長，而且通過齊納釘扎機制提高了獲得的UFG結構的熱穩定性。此外，由于其完全共格性和無序性，析出相在加載下與位錯表現出微弱的相互作用。這種方法能夠制備晶粒尺寸為800±400納米的完全再結晶UFG結構，而不會引入脆性顆粒和分離邊界等有害晶格缺陷。與未添加銅的鋼相比，UFG結構的屈服強度提高了一倍，約為710MPa，均勻延展性為45%，抗拉強度約為2000MPa。這種晶粒細化的概念應該可以擴展到其他合金系統，制造工藝可以很容易地應用于現有的工業生產線。

圖3 4Cu在760℃退火5min后的顯微組織表征；a,同步輻射高能XRD譜圖；b，EBSD圖顯示了具有超細結構的單一fcc相。a中的插圖顯示了粒度分布。c, ADF-STEM圖像顯示高密度的顆粒內納米沉淀物(明亮的顆粒)。插圖是標記區域的STEM EDS-SI圖像。d，原子分辨率ADF-STEM圖像顯示了富銅納米沉淀物的完全共格無序性。e，透射電鏡(左)和APT(右)通過兩個晶界(GB)的分析顯示富銅納米沉淀物的大小、形態和空間分布。f，距離直方圖，顯示了一個納米沉淀物的成分變化(e中的綠色方塊標記)。g, e中的圓柱形區域的一維濃度剖面，在晶界處沒有明顯的元素偏析[4]。

(4) 超強鋼中納米共格粒子介導的應變硬化

由位錯或納米沉淀物等單一晶格缺陷引起的強化通常會導致所謂的強度-延性掣肘，在強度水平高于2 GPa時尤為明顯。在此，我們通過操縱不同晶格缺陷之間的相互作用，在超高強度馬氏體鋼中報告了一種可持續的應變硬化機制。結果表明，快速析出低錯配位的b2有序Ni(Al, Fe)可以有效地防止高密度淬滅位錯的恢復。在塑性變形過程中，有序納米沉淀物所產生的高切削應力不僅使大量保留的位錯以平面方式移動，而且大大擴展了包含大量位錯的位錯馬氏體中位錯運動的平均自由路徑。同時，平面滑移與原有的位錯發生嚴重的位錯反應，及時恢復因切削析出相而減弱的局部切削應力。這種及時建立的切削應力同時降低了平面滑移帶內滑移集中程度和存儲共面位錯的大小，促進了明顯的滑移帶細化作為主要的應變硬化機制，使屈服強度(2 GPa)和延伸率(9%)同時增加。研究結果提供了一種可能的方法，通過調整不同類型晶格缺陷之間的相互作用，同時提高強度和延性。

圖4 ECCI和STEM分析表明，時效后3Al鋼的空間帶組織應變為4%；(a)高倍ECCI圖像，檢測到多個不同帶寬的平面滑移帶；(b)， (c)典型的BF(亮場)圖像和對應的HAADFSTEM圖像，分別顯示出頻繁的位錯相交和高密度析出相的保留。(d)高分辨率HAADF STEM圖像，顯示恢復的位錯附近析出物的周期性原子柱結構，用橢圓突出顯示。插圖是低倍STEM圖像，顯示了析出相的位置。 (e)圖中箭頭所示區域的IFFT模式，顯示了不同類型的位錯[5]。

(5) 發明抗輻照新機制，具有極強的工程應用

在核反應堆服役的材料要經受非常嚴苛的環境，這不可避免的會導致材料結構完整性和力學性能的退化，例如宏觀孔洞膨脹、輻射硬化和脆化。設計出在這種嚴苛條件下能夠幸存的材料對于延長反應堆壽命，促進核聚變和先進核裂變反應堆的發展非常重要，但卻一直充滿挑戰。能夠在高溫下維持高輻射劑量的材料是下一代裂變和未來聚變能所必需的。迄今為止，即使是最有前途的結構材料也不能承受輻射環境要求，因為不可逆的輻射將驅動微觀結構退化。輻射引起的材料退化通常是由于過多的間隙和空位的產生和隨后的聚集造成的。其中，空穴膨脹是高溫下高劑量輻射對材料的關鍵輻射降解效應之一，通常涉及空位的形成和逐漸聚集。抗空洞膨脹能力的增強通常歸因于高比例的失配界面，其可以逮捕輻射引起的間隙和空位。本工作首先在馬氏體時效鋼中引入的超晶格納米沉淀物，這種結構的殊勝之處是在納米沉淀物附近可誘導結構可逆的局部無序-有序轉變。研究表明：在含有高密度B2有序超晶格的馬氏體鋼中，即使在400-600°C的超高劑量輻射損傷后，也沒有檢測到空洞膨脹。在高度飽和的基體中，低錯配超晶格的重新有序過程發生在快速的無序化之后。這樣，通過輻射誘發的點缺陷和過剩溶質的會發生短程重新有序。這一動態過程穩定了微觀結構，不斷促進原位缺陷復合，并有效地阻止了長程擴散過程。從而大幅度提高了材料的耐輻射性能。該策略可應用于其他材料，為開發高耐輻射材料鋪平了道路。

圖5 離子輻照下超晶格鋼的組織演變；a,b，超晶格鋼在500℃0 dpa (a)和840 dpa (b)下的HAADF-STEM圖像；c,d，高分辨率HAADF-STEM圖像顯示了NPs和富溶質區域之間的原子結構差異；e, APT表征的NPs在離子輻照過程中的演化，主要通過50at%Al和Ni等濃度表面顯示和強調；f,g，距離直方圖顯示了所選沉淀(f)和溶質富集區域(g)的成分輪廓，其中誤差條是均值的標準偏差；h, HAADF-STEM圖像顯示了500°C/840 dpa輻照后位錯環的存在；i，高分辨率HAADF-STEM圖像，顯示位錯環附近存在NPs，以及相應的FFT結果(右藍紅框)；j, HAADF圖像顯示一個“愈合”的a/2<100>位錯環遠離析出物；k,l，對應Ni (k)和Al (l)的EDS面掃[6]。

【成果啟迪】

以上是呂昭平教授團隊基于最低晶格錯配微觀結構設計，所發表的高水平論文，主要包含3篇Nature正刊，1篇Nature Materials，由此可見該結構設計的強大魅力。其實在關于最低晶格錯配思想設計的微觀結構在高熵合金、復合材料中已經大放異彩，很多與此相關的成果都已經發表在了Nature或者Science子刊?；谧畹途Ц皴e配的微觀結構設計可以大幅度提高材料的強度，同時又不損失塑性。另外，這一結構在細化晶粒，抗輻照等方面都展示出了非凡能力。在脆性材料，例如金屬間化合物，陶瓷基復合材料等都具有非常好的啟迪意義。功能材料的研究者不妨也可以嘗試。

參考文獻

[1] Yanwen Zhang. Reassembled nanoprecipitates resisting radiation. News & views, Nature Materials.

[2] Suihe Jiang, Hui Wang, Yuan Wu et al. Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation. Nature.

[3] Zhifeng Lei, Xiongjun Liu, Yuan Wu et al. Enhanced strength and ductility in a high-entropy alloy via ordered oxygen complexes. Nature.

[4] Junheng Gao, Suihe Jiang, Huairuo Zhang et al. Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility. Nature.

[5] S.H. Jiang, X.Q. Xu, W. Li et al. Strain hardening mediated by coherent nanoprecipitates in ultrahigh-strength steels. Acta Mater.

[6] Jinlong Du, Suihe Jiang, Peipei Cao et al. Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices. Nature Mater.