單相面心立方（SP-FCC）合金通常具有良好的延展性，這使其成為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理想選擇，由其是在零下溫度的條件下。它們也是各種多相或復(fù)合工程材料（例如鎳基高溫合金）中不可替代的故障延遲基質(zhì)。設(shè)計(jì)高強(qiáng)度SP-FCC合金對(duì)于提高這些工程材料的承載能力具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)工藝中SP合金的強(qiáng)化依賴(lài)于引入各種會(huì)影響位錯(cuò)起始能力或位錯(cuò)流動(dòng)性的缺陷。這些缺陷主要包括位錯(cuò)、溶質(zhì)和晶界。其中，大面積冷加工產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)可能導(dǎo)致延性急劇犧牲。相比之下，溶質(zhì)和晶界是兩種關(guān)鍵的介質(zhì)，它們可以在不嚴(yán)重犧牲延展性的情況下增強(qiáng)SP-FCC材料，甚至在某些情況下有利于延展性。因此，最大化這兩種增強(qiáng)貢獻(xiàn)是設(shè)計(jì)高強(qiáng)度SP-FCC合金同時(shí)保持其高延展性的理想方法。

溶質(zhì)誘導(dǎo)固溶強(qiáng)化（Δσ_ss）起源于位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)與溶質(zhì)原子局部應(yīng)變之間的彈性相互作用，影響位錯(cuò)遷移率。高/中熵合金（H/MEAs）的最新發(fā)展促使越來(lái)越多的SP-FCC合金的設(shè)計(jì)高屈服強(qiáng)度（σ_y），通過(guò)引入相當(dāng)大的組成復(fù)雜性來(lái)最大限度地利用溶質(zhì)效應(yīng)。以五元CoCrFeMnNi合金為代表的基準(zhǔn)高熵合金表現(xiàn)出優(yōu)于大多數(shù)傳統(tǒng)FCC合金的強(qiáng)度延展性整體性能;它的子合金之一，三元CoCrNi基合金表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能。CoCrNi合金的強(qiáng)度最近被另一種中熵合金NiCoV合金超越，通過(guò)進(jìn)一步提高溶質(zhì)效應(yīng)，NiCoV的性能沒(méi)有被任何其他SP-FCC合金所超越。大量的理論模型表明Δ σ_ss在高/中熵以及傳統(tǒng)的SP-FCC合金中與體積失配密切相關(guān)，體積失配是一種結(jié)構(gòu)特征，反映了由組成元素周?chē)牟煌迎h(huán)境引起的平均局部應(yīng)變。另一方面，晶界誘導(dǎo)強(qiáng)化（Δσ_gb）取決于邊界處的應(yīng)力集中程度，以達(dá)到可以激活附近晶粒中位錯(cuò)源的臨界水平。從位錯(cuò)成核機(jī)理來(lái)看，最近的一些研究表明，具有更明顯的晶格摩擦的SP-FCC合金往往對(duì)晶粒尺寸具有更高的屈服強(qiáng)度敏感性（所謂的霍爾-佩奇系數(shù)，k_HP)。這很好地表明了使用體積不配合作為高強(qiáng)度SP-FCC合金的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的可能性。

基于上述場(chǎng)景，湖南大學(xué)吳正剛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)、東北大學(xué)、國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)、田納西大學(xué)等知名高校依靠失配體積最大化策略成功設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異屈服強(qiáng)度（∼1.05GPa）和良好延展性（∼37%）的SP-FCC合金。由此產(chǎn)生的成分簡(jiǎn)單的合金具有比所有現(xiàn)有SP-FCC合金更嚴(yán)重的體積不配合，導(dǎo)致有史以來(lái)最高的k_HP和體現(xiàn)的 Δσ_ss。從根本上說(shuō)，我們的工作強(qiáng)調(diào)，失配體積可以作為k_HP的相關(guān)指標(biāo)，并證明螺釘位錯(cuò)也可以控制具有極端晶格畸變的SP-FCC合金的強(qiáng)化，這在以前的研究中被忽視了。相關(guān)研究成果以題“Achieving superb strength in single-phase FCC alloys via maximizing volume misfit”發(fā)表在Materials Today上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702123000329

圖1（a）不同鎳基二元合金的失配參數(shù)δ作為溶質(zhì)濃度的函數(shù)。（b） Ni₈₀Mo₂₀與其他SP-FCC合金的失配參數(shù)δ比較。（c）霍爾-佩奇系數(shù)和（d）摩擦應(yīng)力與SP-FCC合金中δ的相關(guān)性。

圖2Ni₈₀Mo₂₀的代表組織。Ni₈₀Mo₂₀分別在(a) 800℃、(b) 900℃、(C) 1000℃和(d) 1100℃退火1 h的EBSD逆極圖(IPF)圖。插圖顯示了相應(yīng)的XRD圖譜。(e) Ni₈₀Mo₂₀在900°C退火1 h后的低倍率HAADF-STEM圖像和(f)高分辨率HAADF-STEM圖像。右側(cè)圖像為SAED圖案或相應(yīng)的STEM-EDS圖。SAED模式證實(shí)Ni₈₀Mo₂₀是具有FCC結(jié)構(gòu)的SP固溶體。STEM-EDS圖譜也證實(shí)了Ni和Mo在晶界處沒(méi)有明顯的化學(xué)偏析和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。(g)晶粒內(nèi)部的HAADF-STEM顯微照片和g中紅色和綠色平方區(qū)域的(g1, g2)強(qiáng)度線輪廓。(h) Ni和Mo原子的3D APT重建。(i)元素頻率分布分析。經(jīng)STEM和APT分析，證實(shí)無(wú)局部化學(xué)波動(dòng)。

圖3非凡的強(qiáng)度-延展性組合。(a)不同晶粒尺寸Ni₈₀Mo₂₀的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) Ni₈₀Mo₂₀等金屬材料的屈服強(qiáng)度與總伸長(zhǎng)率的關(guān)系，(c)極限抗拉強(qiáng)度與總伸長(zhǎng)率的關(guān)系(表S2)。(d) Ni₈₀Mo₂₀和CoCrFeMnNi、CoCrFeNi、CoCrNi、NiCoV、Ni_63.2V_36.8、Ni等幾種FCC合金屈服強(qiáng)度對(duì)晶粒尺寸的依賴(lài)關(guān)系(見(jiàn)圖)。S4、S5和S6為NiCoV和Ni_63.2V_36.8的代表性微觀結(jié)構(gòu)、工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和霍爾-佩奇關(guān)系，如本研究中再現(xiàn)的)。(e) 霍爾-佩奇系數(shù)和(f)不同SP-FCC材料的摩擦應(yīng)力(表S3)。

圖4活性位錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)和理論證明。(a) 900°C-1 h退火Ni₈₀Mo₂₀合金在工程應(yīng)變分別為0%、4%、7%和8%時(shí)的高能x射線衍射圖。(b)位錯(cuò)特征參數(shù)q隨工程應(yīng)變的演化。q的值由卷積多重整體剖面(CMWP)得到。(c)在工程應(yīng)變分別為4%、7%和8%時(shí)，根據(jù)改進(jìn)的Williamson-Hall， ΔK² vs K²C曲線。(d)塑性應(yīng)變?yōu)?/span>5%的900°C-1 h退火Ni₈₀Mo₂₀合金在和附近的雙束條件下的TEM圖像和(e) 環(huán)形亮場(chǎng)(ABF)-STEM圖像。紅色和藍(lán)色線分別為邊緣位錯(cuò)和螺釘位錯(cuò)。(f)對(duì)應(yīng)于(e)的平投影。Ni₈₀Mo₂₀合金中具有邊緣位錯(cuò)(g)和螺旋位錯(cuò)(h)的Mo溶質(zhì)之間的相互作用。數(shù)值由meV給出的相互作用能著色。(i) Ni₈₀Mo₂₀合金中Mo以位錯(cuò)核為中心的積分半徑與總相互作用能的關(guān)系。NiCoV中V溶質(zhì)與邊緣(j)位錯(cuò)和螺旋(k)位錯(cuò)的相互作用。(l) NiCoV中V的總相互作用能隨位錯(cuò)核為中心的積分半徑的變化。

圖5晶粒尺寸為4.8 μm的Ni₈₀Mo₂₀合金在(a,b) 2%、(c,d) 15%、(e,f) 22.5%和(g,h)斷裂拉伸應(yīng)變下的變形組織。SAED圖案取自[110]區(qū)域軸。

在本工作中，通過(guò)最大限度地提高體積不配合度，設(shè)計(jì)了一種成分簡(jiǎn)單的單相FCC合金，具有優(yōu)異的強(qiáng)度(約1.05GPa)和良好的延展性(37%)。目標(biāo)Ni₈₀Mo₂₀合金的體積失配(δ = 5.68%)比現(xiàn)有的任何FCC合金都高，包括常規(guī)合金和高中熵合金。這種前所未有的體積不匹配導(dǎo)致了強(qiáng)度對(duì)晶粒尺寸的最高靈敏度(k_HP = 1034 MPa·μm^1/2)，使得這種合金通過(guò)晶粒細(xì)化而具有極高的強(qiáng)度。嚴(yán)重的體積失配也給合金帶來(lái)了高固溶體強(qiáng)化，盡管目前基于δ的強(qiáng)化理論無(wú)法再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值，這是由于各種理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)所證明的螺桿位錯(cuò)在控制強(qiáng)化方面的積極作用。總的來(lái)說(shuō)，目前的發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)更先進(jìn)的性能優(yōu)異的FCC合金鋪平了一條新的途徑，通過(guò)體積不匹配最大化策略最大化并很好地平衡溶質(zhì)和晶界的貢獻(xiàn)。