相比石墨烯，鈣鈦礦等這些頂刊寵兒，在金屬材料這個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域，要想登上Nature和Science這兩大神刊，很多時(shí)候估計(jì)只能仰天長(zhǎng)嘆。但是國(guó)內(nèi)就是有不少大牛腦洞大開，突破天際，將絕對(duì)新穎的重大創(chuàng)新成果擺在這兩大期刊上。其實(shí)讀頂刊文章，并不在于讀其內(nèi)容，而在于啟發(fā)靈感。神而明之，通而用之。到目前為止，北科大呂昭平老師和香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授已經(jīng)在Nature上發(fā)表了自己的神作，黃明欣教授也已經(jīng)問(wèn)鼎兩篇Science。這些文章對(duì)正在搞金屬材料的廣大研友們有什么啟發(fā)了？筆者在這里進(jìn)行深度解讀，與大家共勉，當(dāng)然如果存在不當(dāng)之處，還煩請(qǐng)不吝賜教。

1. 呂昭平老師3篇Nature

1.1 基于最小晶格錯(cuò)配和好密度的納米析出物設(shè)計(jì)高強(qiáng)鋼

新一代的材料要求輕質(zhì)，能源節(jié)約型。馬氏體時(shí)效鋼是一類重要的高強(qiáng)鋼，可以在一定程度滿足要求，其組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在馬氏體基體上分布有納米析出物。在本研究中，通過(guò)950℃/15min水淬火+ 500°C/3h時(shí)效的方法，作者成功獲得了馬氏體基體上分布有高密度的鋼。通過(guò)透射電鏡獲得高分辨圖片，原子探針以及同步輻射XRD等技術(shù)，都證明了這種析出物為B2相，為Ni（Al,Fe）的分子結(jié)構(gòu)，而且析出相與馬氏體基體高度共格，分布非常均勻。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度大大提高（2.1GPa）且不損失其塑性（8%）。由于高度共格，位錯(cuò)在基體滑移的時(shí)候，可以直接切過(guò)納米析出物，其重要的強(qiáng)化效果來(lái)源于B2粒子的有序強(qiáng)化和其導(dǎo)致的模數(shù)硬化。高強(qiáng)度和良好延性的結(jié)合歸功于以下兩個(gè)方面，Ni（Al,Fe）析出相分布的均勻性有效地降低了應(yīng)力集中，這是傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼面臨的主要挑戰(zhàn)。此外，析出相非常小，其晶格參數(shù)與馬氏體基體相似。由此降低了析出相與切削位錯(cuò)之間的相關(guān)彈性相互作用，從而防止了由于應(yīng)變積累而在析出相-基體界面處產(chǎn)生裂紋。其次，基體中高含量的溶質(zhì)Ni對(duì)降低鋼的解理傾向，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度有重要作用。作為馬氏體時(shí)效鋼中主要的析出相形成元素，其在基體中的殘余含量由吸收Ni的析出相控制。Ni（Al,Fe）析出物不僅更細(xì)、更致密，而且消耗的Ni也更少。因此，本文所述的Ni（Al,Fe）-馬氏體時(shí)效鋼在為基體保留溶質(zhì)Ni方面具有優(yōu)勢(shì)，這也有助于其具有較高的強(qiáng)度和良好的延性。

圖1 高分辨HADDF TEM和重構(gòu)的三維原子探針資料表明析出的B2相粒子與基體完全共格；a. 從<001>方向獲得的STEM圖像顯示了B2相的有序化，插圖為傅里葉轉(zhuǎn)變圖像；b.接近a圖的圖像顯示了周期性的原子欄；c. 來(lái)自<110>方向的原子圖像顯示了B2相而非D013相，插圖為兩個(gè)區(qū)域的傅里葉轉(zhuǎn)變圖；d. 原子探針資料顯示具有了（011）和（002）面的完全連續(xù)性。

1.2 利用有序氧復(fù)合體同時(shí)提高高熵合金的強(qiáng)塑性

該文對(duì)高熵合金TiZrHfNb的研究發(fā)現(xiàn)，該合金添加氧元素之后，拉伸強(qiáng)度提高了48.5±1.8 %，塑性由基體合金的14.21±1.09 %提高到了27.66±1.13 %，即實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的同時(shí)大幅度提高。但添加N元素后，強(qiáng)度增加，塑性降低。通過(guò)高分辨電鏡等的表征發(fā)現(xiàn)，TiZrHfNb合金中存在（Ti，Zr）以及（Hf，Nb）兩種短程有序結(jié)構(gòu)區(qū)域。材料中添加O元素后，優(yōu)先占據(jù)（Ti，Zr）短程結(jié)構(gòu)的間隙位置，形成有序氧復(fù)合體（O，Ti，Zr）（大小約為1~3nm，如Figure 1），從而造成固溶強(qiáng)化，提高材料的強(qiáng)度。同時(shí)，由于有序氧復(fù)合體的形成對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，在塑性變形的過(guò)程中誘導(dǎo)了位錯(cuò)的交滑移運(yùn)動(dòng)，從而提高了位錯(cuò)形核以及增值速率，增大了位錯(cuò)的密度，最終導(dǎo)致塑性的提高（見Figure 2）。該發(fā)現(xiàn)是一種全新的合金強(qiáng)韌化手段，叫做“異常間隙強(qiáng)韌化”， 為合金體系提供了一種同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的新途徑。其應(yīng)用不只限于高熵合金，在傳統(tǒng)的合金中也同樣適用。例如，呂昭平教授在鈦合金中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。另外，并不只有間隙氧原子能夠產(chǎn)生這種強(qiáng)韌化效果，其它間隙原子（如C、B、N等）也能達(dá)到同樣的效應(yīng)。

圖2 a，b分別為鑄態(tài)高熵合金TiZrHfNb以及摻雜了O和N的同步輻射XRD和背散射電子衍射圖譜，可以看出鑄態(tài)高熵合金TiZrHfNb有bcc晶體結(jié)構(gòu)；c-e為對(duì)[011]bcc晶體軸進(jìn)行不同調(diào)節(jié)的球差電鏡圖像，顯示出了O-2 HEA （TiZrHfNb）98O2合金中存在短程有序結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的STEM-ABF圖像顯示出了有序氧復(fù)合體的存在。紅色的框代表Zr/Ti富集區(qū)而黃色的框代表Hf/Nb富集區(qū)；e圖為放大的有序氧復(fù)合體插圖，箭頭表示氧元素占據(jù)的位置；f圖為O-2 HEA的原子探針層析成像三維重建；g圖表示O組成剖面作為界面距離的函數(shù)，且成分的演變主要與基體成分有關(guān)[2]。

1.3 一種生產(chǎn)高強(qiáng)高塑鋼簡(jiǎn)易方法

本文設(shè)計(jì)了三種合金，分別是Fe–22Mn–0.6C ，F(xiàn)e–22Mn–0.6C -3Cu，和Fe–22Mn–0.6C -4Cu。力學(xué)性能測(cè)試表明，F(xiàn)e–22Mn–0.6C -4Cu合金強(qiáng)度極大提升且無(wú)塑性下降，其主要原因是合金內(nèi)部析出了與基體完全共格的富Cu納米級(jí)第二相。納米析出物快速析出的原因有三：1）與其它高錳鋼相比，高的退火溫度使其具有較快的動(dòng)力學(xué)特性；2）全共格界面導(dǎo)致的低成核勢(shì)壘，與金屬間化合物沉淀物需要至少兩種具有嚴(yán)格化學(xué)量比的元素的局部富集相比，銅的沉淀是一個(gè)連續(xù)的局部富集過(guò)程，這減少了核的孵育時(shí)間；3）Cu和Fe （13 kJ mol?1）的正混合焓表明熔體中存在原子尺度的富Cu團(tuán)簇，這也促進(jìn)了熔體的快速析出。富Cu納米相的主要作用是細(xì)化晶粒而非作為第二相組織位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。在變形的早期階段，應(yīng)變小于15%，0Cu和4Cu合金中都出現(xiàn)大量的位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞。伴隨極少量的納米孿晶，也就是說(shuō)位錯(cuò)主導(dǎo)了加工硬化。計(jì)算的納米孿晶和位錯(cuò)對(duì)硬化的貢獻(xiàn)表明，在這一階段，位錯(cuò)主導(dǎo)了這兩種鋼的應(yīng)變硬化富銅納米沉淀物對(duì)整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響很小。當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥?5%的時(shí)候，連續(xù)的納米孿晶形成，隨著納米孿晶寬度的減小，在4Cu中的分布更加致密，孿晶逐漸主導(dǎo)了應(yīng)變硬化過(guò)程。而在0Cu中，位錯(cuò)仍然控制著硬化。在塑性變形早期，部分富銅顆粒被位錯(cuò)剪切并沿加載方向伸長(zhǎng)。后期，富Cu析出相均勻破碎成較小的析出相，數(shù)量密度大得多。STEM EDS-SI圖像證實(shí)，納米孿晶經(jīng)常切穿富Cu析出相，并結(jié)合位錯(cuò)剪切導(dǎo)致其破碎；反過(guò)來(lái)，富銅團(tuán)簇細(xì)化了納米孿晶，導(dǎo)致了孿晶主導(dǎo)的變形階段。更重要的是，在更薄、更致密的納米孿晶周圍觀察到大量的小位錯(cuò)細(xì)胞；這表明，細(xì)化后的納米孿晶仍然能夠容納額外的位錯(cuò)積累，這對(duì)于維持連續(xù)的高應(yīng)變硬化速率也是至關(guān)重要的。問(wèn)題是，如何共格無(wú)序的納米沉淀能阻止晶界遷移，而不是釘扎位錯(cuò)。當(dāng)晶界遇到共格納米沉淀物時(shí)，在基體和沉淀物之間形成非共格界面，其界面能比最初的低能量共格界面高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種界面能的增加產(chǎn)生了更高的齊納釘扎力，從而阻礙了晶界的遷移。這與高數(shù)量密度的納米沉淀相結(jié)合，有效地減緩了晶粒的生長(zhǎng)。晶界遷移只有在晶界附近的納米沉淀物溶解或粗化后才會(huì)發(fā)生，這是一個(gè)緩慢的長(zhǎng)程擴(kuò)散過(guò)程。

圖3 a/b. ABF-STEM、APT以及通過(guò)兩個(gè)析出物的柱狀圖，a/b的樣品分別在760℃時(shí)效0.5min和2min。Cu在析出相中的逐漸富集表明，這些無(wú)序析出相的形成主要是一個(gè)簡(jiǎn)單的溶質(zhì)富集過(guò)程，這有助于快速的納米析出；再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)壓力的演變，晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)壓力和齊納釘扎壓力與退火時(shí)間的關(guān)系。在760℃下退火5分鐘（d）和20分鐘（e）的4Cu的ABF-STEM圖像（左）及其對(duì)應(yīng)的STEM EDS-SI圖像（右），證明齊納釘住的證據(jù)。f，一個(gè)納米沉淀物在晶界處的高分辨率TEM圖像，顯示了與基體晶粒的共格界面[3]。

2. 黃明欣老師兩篇Science

2.1 引入高密度的位錯(cuò)，同時(shí)提高材料強(qiáng)度和延展性

該文采用成本較低廉的中錳鋼，采用多道次軋制+回火的方式得到了亞穩(wěn)奧氏體鑲嵌在馬氏體基體上的雙態(tài)微觀組織，作者將這種鋼命名為D&P鋼。馬氏體相變?cè)诓牧蟽?nèi)部引入了大量的位錯(cuò)，同時(shí)生成的馬氏體呈針狀，組織比較細(xì)小，某些針狀體內(nèi)部還含有孿晶出現(xiàn)。而奧氏體的形狀也非常不均勻，具體可以分為粗晶片、細(xì)晶片和顆粒狀?yuàn)W氏體。由于材料經(jīng)過(guò)多道次的塑性變形，內(nèi)部具有極高的位錯(cuò)密度，而后面的回火并不會(huì)消除位錯(cuò)，僅僅使得位錯(cuò)被固溶元素分成不同的區(qū)域。大量的位錯(cuò)堆積于晶界處并在變形時(shí)相互作用，使得材料的屈服強(qiáng)度提高。但是按照常理來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)的交互作用會(huì)使得材料塑性降低，但是新型的D&P鋼的塑性不降反升。這主要?dú)w功于以下幾個(gè)原因：（1）拉伸前的材料經(jīng)過(guò)冷軋，位錯(cuò)重新排列轉(zhuǎn)變形成了許多個(gè)位錯(cuò)胞，在拉伸時(shí)，位錯(cuò)胞的可動(dòng)和不可動(dòng)螺型位錯(cuò)發(fā)生滑動(dòng)，部分位錯(cuò)會(huì)被釋放，導(dǎo)致晶界解析崩塌，在外力作用下原位錯(cuò)胞被拉長(zhǎng)，位錯(cuò)的滑動(dòng)與釋放是塑性提高的一個(gè)重要原因。（2）微觀結(jié)構(gòu)中大的奧氏體晶粒阻礙了滑動(dòng)的馬氏體界面，從而起到穩(wěn)定作用，反過(guò)來(lái)位錯(cuò)密度較高的馬氏體又保護(hù)了奧氏體，在加上合金元素，例如C等對(duì)位錯(cuò)區(qū)的劃分，這樣位錯(cuò)在變形過(guò)程中處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，提高了塑性。（3）連續(xù)的轉(zhuǎn)變誘發(fā)效應(yīng)，例如殘余應(yīng)力在兩種組織之間的相互過(guò)渡能夠減小局部應(yīng)變集中，提供動(dòng)態(tài)應(yīng)變分區(qū)，從而提升了塑性。（4）孿晶的出現(xiàn)也會(huì)導(dǎo)致塑性的提升。

Figure 4 D&P鋼拉伸試驗(yàn)后的微觀組織：A 拉長(zhǎng)的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)；B 不同應(yīng)變下XRD的衍射圖譜；C 材料斷裂后在粗大的奧氏體晶粒中形成針狀馬氏體；D 材料變形斷裂后在亞微米奧氏體中形成的孿晶[4]。

2.2 高屈服強(qiáng)度誘發(fā)晶界分層開裂增韌新機(jī)制，獲得超高強(qiáng)鋼鐵材料斷裂韌性的大幅提升

基于斷裂力學(xué)的理論，該文通過(guò)簡(jiǎn)單軋制與熱處理，使得D&P鋼獲得獨(dú)特的兩相層狀組織結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)該鋼具有非常高的強(qiáng)度和韌性，這主要得益于本文提出的高屈服強(qiáng)度誘發(fā)晶界分層開裂增韌新機(jī)制，這種機(jī)制有利于超高強(qiáng)鋼鐵材料斷裂韌性的大幅提升。打破了傳統(tǒng)認(rèn)為的提高強(qiáng)度會(huì)降低材料斷裂韌性的常識(shí)。錳元素在原奧氏體晶粒邊界富集，也保留在組織結(jié)構(gòu)中。D&P鋼超高的屈服強(qiáng)度誘發(fā)錳元素富集的原奧氏體晶界在垂直于主裂紋面的方向上啟動(dòng)分層裂紋。原奧氏體晶界分層開裂之后，使原本的平面應(yīng)變斷裂轉(zhuǎn)變成一系列沿樣品厚度方向的平面應(yīng)力斷裂過(guò)程，極大地提高了D&P鋼的斷裂韌性。另外，高強(qiáng)高韌D&P鋼的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP toughening）也進(jìn)一步提高了該材料的斷裂韌性。

圖5 A）三維圖解模型描述了樣品加載方向與D&P鋼組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系；（B）工程應(yīng)力應(yīng)變曲線；（C）J-積分阻力曲線。展示了D&P鋼同時(shí)具有極高的屈服強(qiáng)度、韌性和均勻延伸率[5]。

3. 呂堅(jiān)教授Nature

呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)成功制備出了一種具有雙相結(jié)構(gòu)的鎂合金，其微觀結(jié)構(gòu)為納米晶體核鑲嵌在尺寸較大的非晶殼基體中，其中納米晶體核的成分為MgCu2, 大小為6nm，約占56%，晶核周圍幾乎沒(méi)有位錯(cuò)存在。納米晶金屬非晶具有非均勻的微觀結(jié)構(gòu)，主要由納米尺寸的非晶相聯(lián)通非晶界面。界面區(qū)域的原子結(jié)構(gòu)不同于玻璃區(qū)域的原子結(jié)構(gòu)，具有更小的堆積密度。剪切帶的觸發(fā)與原子群的重新排列有關(guān)。由于非晶界面的存在，剪切帶區(qū)更容易形成，另一方面，剪切帶的擴(kuò)展可以被周圍較硬的玻璃顆粒固定或分叉，防止材料在拉伸試驗(yàn)中發(fā)生災(zāi)難性破壞。所以，這樣就可以形成多個(gè)剪切帶，使得材料可以承受較大的塑性應(yīng)變。

圖6 新型鎂合金的變形機(jī)制：a 主要的變形機(jī)制，揭示了納米晶怎樣阻礙剪切帶的形成以及納米晶怎么被剪切帶分割和旋轉(zhuǎn)；b 初始剪切帶的高分辨投射照片，揭示了剪切帶怎樣形成多個(gè)輻射狀的剪切帶胚；c b圖中A區(qū)域的高分辨透射圖片，展示了MgCu2納米相怎么逮捕剪切帶，逮捕后的剪切帶形成了兩個(gè)子帶；d b圖中B區(qū)域的高分辨透射圖片，揭示了MgCu2被剪切帶逮捕了；e MgCu2納米相的兩部分相互旋轉(zhuǎn)了40°

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上等人的研究可以看出，發(fā)表在這兩大期刊上的論文有一個(gè)共性，那就是材料的力學(xué)性能以某種作用機(jī)制極大提升。不僅強(qiáng)度巨大提高，而且同時(shí)伴隨塑性提高或者至少不會(huì)降低。眾所周知，材料強(qiáng)塑性是相互掣肘的，同時(shí)提高強(qiáng)塑性是非常困難的，需要借助特殊的組織結(jié)構(gòu)和變形機(jī)理才能實(shí)現(xiàn)。但是要發(fā)Nature和Science，所發(fā)現(xiàn)的顯微組織結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制不僅針對(duì)當(dāng)前材料可以強(qiáng)塑化，還要普使于其它的金屬材料，這一點(diǎn)難上加難。要發(fā)現(xiàn)這樣的組織或者變形機(jī)制，需要天才的想法，而且運(yùn)氣很關(guān)鍵，但往往運(yùn)氣傾向于不斷奮斗的人。

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