西安交大&香港城大《Science》：2.6GPa！超高強合金的韌化設計新突破！
2025-01-24 16:06:46
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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更高的強度和更大的拉伸塑性是結構材料發展的永恒目標。然而，合金的拉伸強度提升至超高水平后（如>2.5 GPa），應變硬化能力通常難以在如此高的流變應力下得到維持。因此，此類合金的均勻延伸率通常<5%應變。近日，西安交大金屬材料強度全國重點實驗室、微納尺度材料行為研究中心（CAMP-Nano）吳戈教授-單智偉教授團隊聯合香港城市大學先進結構材料研究中心呂堅院士、西安交大劉暢教授與西安交大劉思達教授，設計了一種創新納米結構，即短程有序界面與超納析出相的結合，來克服此難題。其中，超納（Supra-nano）概念為吳戈教授與呂堅院士在Nature 545, 80 (2017)中提出，意為結構特征尺寸小于10 nm。通過在材料中引入超納結構單元，整體材料會展現出一些奇異性能。如，在多晶材料中，通過將晶界結構擴展為超納非晶相，可克服晶界的軟化效應，使材料的強度提升至近理論值（吳戈、呂堅等，Nature 545, 80 (2017)；Nat. Commun. 10, 5099 (2019)）。在非晶材料中，通過兩種超納非晶疇的復合結構設計，可使整體非晶合金具備均勻塑性流變行為，克服非晶合金的脆性問題（吳戈等，Nat. Commun. 14, 3670 (2023)）。本研究中，超納析出相（S-L12）大幅提高了FCC-BCC雙相合金的應變硬化能力。另外，短程有序界面可視為一種新的晶界復合體，可有效提高屈服強度以及避免塑性變形過程中的晶界開裂。這種結構設計使得細晶VCoNi-W-Cu-Al-B合金（SS-合金，Supra-nano+SRO）實現了2.6 GPa的抗拉強度和10%的均勻延伸率。與其它權威期刊報道的合金相比，SS-合金具備異常優異的強度和均勻延伸率組合。此工作以“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”為題發表在Science。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文第一作者單位和第一通訊單位。吳戈教授（西安交通大學）為論文第一通訊作者，閆永強博士生（西安交通大學）為論文第一作者，察文豪科研助理（西安交通大學）為論文共同一作。呂堅院士（香港城市大學）、劉暢教授（西安交通大學）及劉思達教授（西安交通大學）為論文共同通訊作者。作者包括：單智偉教授（西安交通大學），馬焱助理教授（荷蘭代爾夫特理工大學），欒軍華博士（香港城市大學），饒梓元副教授（上海交通大學）。該研究得到了國家自然科學基金委-香港研資局合作項目、國家自然科學基金委面上項目及國家青年人才計劃的支持。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4917區別于以往報道的位于晶粒內部的短程序，本研究中調控短程序在晶界附近偏聚（與FCC基體具有正的界面作用能），形成短程有序界面，實現了與晶界相關的顯著強化和塑化機制。此SS-合金為細晶FCC-BCC雙相合金（兩相的晶粒尺寸均為1 μm）。較小的晶粒尺寸使得位錯與晶界的交互作用被增強。因此，FCC相中短程有序界面的強塑化作用顯著。短程序在晶界附近的偏聚有效提高了抵抗位錯運動所需的應力水平，使得屈服強度大幅提升至2.2 GPa。在塑性變形過程中，晶界附近的短程序會發生向無序固溶體的轉變，降低了晶界附近的應力集中，避免界面開裂。另一方面，在FCC晶粒內部析出的超納L12相，相比于短程序（<1 nm）有較大的尺寸（0.5~4 nm），因此其對位錯和層錯有更強的釘扎效應。因此，塑性變形過程中位錯在晶粒內部持續增殖和累積，提高了合金的應變硬化能力。此外，由于塑性變形過程中的超高應力水平，在FCC-BCC相界面處發生BCC到FCC的相變（FCC相分數增加7.7%）。相界面附近的異質變形帶來背應力硬化效應，促進應變硬化，而變形過程中的動態相變會緩解相界面處的應力集中，使合金的均勻拉伸變形得到維持。這些變形機制促使變形過程中流變應力的持續增加，直至合金在2.6 GPa應力、10%應變時斷裂。本研究中晶粒內部和晶界附近的有序結構設計策略為實現超強合金的優異均勻延伸率（且具備持續應變硬化）提供了一條新途徑。圖1 SS-合金的結構。(A) 三維EBSD反極圖(IPF)。(B)為(A)中方形區域的相分布圖，顯示FCC-BCC雙相結構。(C) 三維重構APT數據集。(D)為(C)中箭頭所示區域的成分圖。(E) MD計算結果示意圖，顯示SRO和S-L12顆粒分別在晶界附近偏聚和晶粒內部析出。(F) FCC相的HAADF-STEM圖。(G)為(F)的FFT圖。(H)為(F)中綠色虛線矩形區域放大的HAADF-STEM圖。(I)和(J)分別對應(G)中SRO和S-L12彌散圓盤和衍射斑點的IFT圖。(K) 利用(G)中FCC、SRO和S-L12的彌散圓盤和衍射斑點疊加的IFT圖。圖2 SS-合金的室溫拉伸性能。(A) 具有不同SRO和S-L12含量合金的工程拉伸應力-應變曲線。(B) 合金在拉伸過程中的應變硬化率。插圖為拉伸過程中SS-合金中FCC相的位錯密度演化圖。(C) 本研究中的SS-合金與其他超強多主元合金的室溫拉伸力學性能對比圖。圖3 SS-合金中FCC相在拉伸過程中的結構演變。(A-D) FCC相在不同拉伸應變下的明場TEM圖，顯示了位錯和層錯的演變。(E) FCC相在9.5%拉伸應變下的ABF- STEM圖。(E1和E2) 分別從(E)中紅色和綠色方形區域得到的FFT圖。(E3)為(E)中位錯富集區放大的HAADF-STEM圖。 (E4) 為(E3)基于GPA的對應應變圖。(F) 為(E3)生成的疊加IFT圖，顯示位錯/層錯與S-L12相之間的交互作用。(F1)為(F)中虛線矩形區域的放大圖。(G) FCC區域未變形狀態下晶界附近的HAADF-STEM圖。(G1)為(G)中紅色方形區域生成的疊加IFT圖，顯示SRO在晶界附近偏聚。(H) FCC區域經過9.5%拉伸應變后的HAADF-STEM圖。(H1)為(H)中紅色方形區域生成的疊加IFT圖。變形后，SRO在晶界附近以及晶粒內的分布是均勻的，表明位錯的運動破壞了原本在晶界附近的SRO，使其發生有序向無序轉變。(I) 拉伸前SS合金的KAM圖，顯示應力主要集中在晶界附近，這是由于短程序在晶界附近偏聚造成的，對屈服強度的提升有較強作用。(J) 拉伸后SS合金的KAM圖，晶界附近和晶粒內部的應力集中情況類似，即應力非局域化，有利于維持均勻塑性變形。圖4 SS-合金的變形機制。(A-C) FCC相近晶界區域拉伸變形過程中的結構演變(SRO、L12、位錯和層錯)示意圖。(A) 拉伸前SRO和S-L12顆粒分別在晶界附近區域偏聚和晶粒內部析出。(B) 拉伸過程中晶界附近的短程有序結構向無序固溶體轉變，釋放了晶界附近的應力集中。(C) 由于S-L12顆粒的釘扎效應比SRO強，變形過程中大量位錯和層錯在晶粒內部持續累積。(D和E) 拉伸前后SS合金同一區域的EBSD相分布圖，顯示相界面處BCC到FCC的相變。(F和G) 拉伸前后有序BCC相的TEM圖。顯示拉伸后BCC相內的位錯密度增大。
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