金屬材料永恒的力學(xué)性能追求是同時兼具高強(qiáng)度和大塑性。然而，高強(qiáng)度往往導(dǎo)致低塑性瓶頸，其原因是高強(qiáng)度下位錯難以形成并儲存，嚴(yán)重降低了加工硬化能力。為此，中國科學(xué)院力學(xué)研究所武曉雷研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種加工硬化新策略，即利用并控制已經(jīng)發(fā)生的塑性失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)加工硬化，并據(jù)此策略獲得了記錄級力學(xué)性能。

2024年4月11日，相關(guān)研究成果以“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”為題在線發(fā)表于Nature Materials期刊上。論文通訊作者為武曉雷研究員，共同第一作者為徐博文、段慧超和陳雪飛博士。

加工硬化是金屬結(jié)構(gòu)材料拉伸塑性的基礎(chǔ)，其前提是拉伸變形時在晶粒內(nèi)部形成、增殖并儲存的位錯—位錯之間以及位錯與界面和析出相等的交互作用引起的加工硬化。當(dāng)晶粒細(xì)化至納米尺度時，晶粒內(nèi)部則很難產(chǎn)生并儲存位錯，降低了加工硬化能力，引起低塑性瓶頸。在高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)金屬中，如何形成并儲存位錯是實(shí)現(xiàn)其加工硬化的難題，更是挑戰(zhàn)。近年來，少數(shù)超強(qiáng)鋼和多主元合金獲得了2 GPa左右的屈服強(qiáng)度和大于10%的拉伸塑性。上述合金，要么是易于發(fā)生馬氏體相變的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，要么內(nèi)部具有高密度的納米析出相。然而，在大多數(shù)傳統(tǒng)合金中，既沒有納米析出相也不存在馬氏體相變，如果這些合金的屈服強(qiáng)度被提升至2.0 GPa左右，其加工硬化能力不足的問題仍然沒有得到解決。

在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)制備了多主元VCoNi合金納米結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)的納米晶粒包含亞納米尺度化學(xué)短程有序和第二相L12金屬間化合物。納米結(jié)構(gòu)的初始拉伸變形是呂德斯帶（Lüders band）擴(kuò)展，研究人員發(fā)現(xiàn)：一旦呂德斯帶開始擴(kuò)展，在其前端就已經(jīng)發(fā)生了塑性失穩(wěn)、即早期頸縮（premature necking），在頸縮處隨即形成了三軸應(yīng)力狀態(tài)，促進(jìn)了高密度位錯的快速產(chǎn)生，其中位錯密度增量為9.3×1014 m-2，位錯增殖速度為4.6×1013 m-2·s-1。這些位錯引起了林位錯加工硬化和異質(zhì)變形誘導(dǎo)硬化，后者是幾何必需位錯與化學(xué)短程有序的應(yīng)變場之間交互作用的結(jié)果。在呂德斯帶擴(kuò)展過程中，加工硬化體現(xiàn)出關(guān)鍵作用—反過來抑制并穩(wěn)定住了呂德斯帶的失穩(wěn)擴(kuò)展，還能使納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻變形。據(jù)此，研究人員克服了高強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)的低塑性瓶頸，得到屈服強(qiáng)度2.0 GPa和拉伸塑性16%的室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能，這兩個性能在極端低溫（即液氦和液氮溫度）下提升到了前所未有的2.2 GPa和20%。這些結(jié)果展現(xiàn)了一個另辟蹊徑的加工硬化策略，即“低加工硬化能力引起早期塑性失穩(wěn)—失穩(wěn)則誘導(dǎo)位錯產(chǎn)生和加工硬化—加工硬化反過來抑制失穩(wěn)”，是一個“抑制失穩(wěn)”而非傳統(tǒng)“推遲失穩(wěn)”的加工硬化策略。

圖1：多主元VCoNi合金的初始微結(jié)構(gòu)。

圖2：室/低溫力學(xué)性能和強(qiáng)度-塑性匹配。

圖3：呂德斯帶前端的早期頸縮、塑性響應(yīng)和位錯增殖。

圖4：拉伸變形后晶粒內(nèi)部的位錯行為。

圖5：呂德斯帶擴(kuò)展和均勻變形過程中的加工硬化。

圖6：通過利用并控制早期頸縮實(shí)現(xiàn)加工硬化。

此工作拓展了長期以來教科書中對于呂德斯帶變形的傳統(tǒng)理解，揭示了高強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)中之前未知的呂德斯帶變形物理，并為研發(fā)高力學(xué)性能化金屬材料及其極端環(huán)境應(yīng)用提供了新思路。

相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1038/s41563-024-01871-7