在標準負載條件下，在具有非常高層錯能（SFE）的塊狀面心立方（FCC）合金中很少發現變形孿晶。本次工作基于準靜態拉伸實驗的結果，報告了微米級成分復雜鋼（CCS）中的變形孿晶，其SFE高達~79mJ/m²，遠高于孿晶的SFE機制（<~50mJ/m²）FCC鋼。通過成分自由度實現的雙納米沉淀使CCS具有高達1.9GPa的超高真應力。強化作用增強了流動應力，達到了機械孿晶開始的高臨界值。反過來，納米孿晶的形成能夠實現進一步的應變硬化和增韌機制，從而提高力學性能。高應力孿晶效應引入了迄今為止尚未開發的強化和增韌機制，從而能夠設計具有改進力學性能的高SFEs合金。

中南大學、南方科技大學、德國馬普所等單位的研究人員合作的此項成果以題目為“High stress twinning in a compositionally complex steel of very high stacking fault energy”發表在《Nature Communications》上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31315-2

控制金屬材料機械性能的塑性變形機制包括位錯、孿晶、堆垛層錯和位移相變。雖然前一種缺陷（即位錯）的運動保持晶格相干性，但后三種機制會產生對稱性破壞，表現為密集原子平面的堆疊順序的變化。這種晶體缺陷稱為堆垛層錯，其相關的能量損失稱為堆垛層錯能（SFE）。在運動學上，孿晶、堆垛層錯和位移相變由部分位錯攜帶，具有比完全晶格位錯更小的自能，但是當被激活時，部分位錯將晶格局部轉變為錯誤的構型，從而產生堆垛層錯。出于這個原因，孿晶、堆垛層錯和位移相變可以賦予金屬優異的應變硬化特性，但在具有相對較高SFE的塊狀材料中通常不存在，例如純Al（166mJ/m²）和Ni（125mJ/m²），其中競爭位錯滑移在能量上成本更低。因此，除了一些極端情況，例如在微壓痕下納米晶Al薄膜的變形或暴露于大應變率的塊狀Al時，高SFE材料的變形行為受位錯支配。因此，具有高SFE的塊狀合金直到今天還沒有發揮出由機械孿晶和堆垛層錯提供的出色應變硬化潛力。

根據過去幾十年進行的先前研究，在具有高SFE的拉伸載荷Fe-Mn-Al-C鋼中也沒有發現變形孿晶（孿晶上限約為50mJ/m²），這是一種很有前途的材料類別由于其低質量密度、優異的機械性能和低成本，適用于高要求的工程應用。Fe-Mn-Al-C輕鋼的變形最初以位錯的平面滑移為主，隨著變形的進行，它進一步演變成由高密度位錯組成的滑帶。盡管對于這些合金來說，更高的強度-延展性體系仍然無法獲得，因為可用的應變硬化機制仍然局限于位錯及其與晶界和析出物的相互作用。孿晶誘導塑性（TWIP）效應作為一種高效的應變硬化和增韌機制，可實現有吸引力的機械性能，由于它們的高SFE，這些材料仍然無法獲得。

本文報告了SFE約為79mJ/m²的輕質成分復雜鋼（CCS）中的變形孿晶和相關的高強化效應。如上所述，在準靜態拉伸載荷條件下，具有如此高SFE的散裝材料通常不可能發生變形孿晶。CCS是通過將高熵合金（HEA）的概念應用于傳統輕質Fe-Mn-Al-C鋼的重新設計而開發的一類材料。由高熵概念引入的成分自由度允許將材料的整體成分轉變為形成獨特的雙納米沉淀混合物的狀態κ-碳化物（有序面心立方，FCC）和B2（有序體心立方，BCC）相成為可能，產生激活機械孿晶所需的高強度。

圖1 aEBSDIPF圖。bEBSD相位圖。cBFSTEM圖像。

圖2  a 在應變速率為10^-3s^-1的情況下，CCS的真實拉伸應力-應變曲線。插圖示意性地顯示了大塊拉伸樣品的幾何形狀。與我們的CCS具有相似SFE的四種典型輕鋼的真實應力-應變曲線（Fe-27Mn-12Al-0.9C、Fe-30Mn-11Al-4Mo-1.1C、Fe-30Mn-8Al-1.1C和Fe-29Mn-9Al-1.6Si-1.2C）作為比較顯示。b 局部應變為70%時CCS的變形子結構。紅色箭頭表示納米雙胞胎。c 高分辨率HAADF圖像顯示變形納米孿晶的原子結構。TB表示孿晶界。d 確認孿晶結構的FFT模式。

圖3  a 在拉伸加載之前 CCS 的起始微觀結構。b 位錯滑移在變形的早期階段占主導地位。c 裂紋成核時在不同區域形成機械孿晶。d 裂紋向不同晶粒擴展，而B2與奧氏體基體界面處的斷裂受到抑制。g和h中插入的SAED圖揭示了孿生結構。LD表示加載方向。

圖4  a裂紋區域附近的孿晶和堆垛層錯。b孿生。c堆垛層錯。

本文的CCS所產生的優異機力學性能源于以兩個主要思想為指導的特定合金設計策略：（1）采用HEA概念重新設計輕鋼，提高其成分的復雜性，在CCS中實現以前無法實現的雙納米沉淀系統。這些納米沉淀物通過位錯繞過和切削顯著強化合金，導致高應變硬化。（2）在更高的變形下，高應力水平是由增加的位錯密度以及位錯和納米沉淀物之間相關的復雜相互作用引起的，允許激活奧氏體基體中以前無法實現的變形誘導納米孿晶機制。納米孿晶的形成反過來可以在變形的后期階段實現進一步的應變硬化和增韌儲備，這抵消了軟化和應變局部化，如在一些HEA和輕質鋼中所見。

這種合金設計策略成功的事實傳達了一個重要且普遍的經驗：只要可以通過其他應變達到所需的高強度水平，就可以對具有高SFE的材料進行重新建模以激活機械孿晶并將其用于強化。因此，此工作修正了在準靜態加載條件下在高SFE材料中無法實現機械孿晶這一共識，通過表明當競爭變形機制（通常是位錯運動）的激活應力為足夠高而不達到斷裂強度。

在當前的CCS中，由于變形孿晶導致奧氏體基體的強度和應變硬化增強，以及B2沉淀物的共同變形，有助于避免奧氏體之間非共格界面處的應力局部化/κ-碳化物和B2相。此外，納米孿晶的形成可以阻止裂紋的傳播，從而產生顯著的增韌效果。所有這些機制都延緩了裂紋的成核和擴展，這在B2強化FCC基合金中很常見，并且對合金的延展性顯著不利。因此，即使在合金更脆的高應力水平（~1.9GPa）下，CCS也能實現出色的拉伸伸長率（~30%）。

總之，本文展示了在具有非常高SFE（~79mJ/m²）的基于FCC的輕質CCS（毫米級）的準靜態拉伸測試期間變形納米孿晶的激活，這是一種有趣的機制組合。由于雙納米沉淀κ-碳化物和B2相，通過特定的合金設計策略，CCS顯示出非常高的拉伸應力，從而達到了迄今為止傳統輕鋼無法達到的臨界孿晶應力。高應力孿晶現象在變形后期提供了顯著的應變硬化，從而抑制了基體和B2相之間非共格界面處裂紋的形核，從而導致材料具有優異的延展性。因此，研究報道了一種有前途的設計策略，通過觸發具有高SFE的高性能結構材料中以前無法實現的變形機制，以提高其機械性能。