鈮合金具有高熔點(diǎn)、低密度，良好的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，是新一代高溫合金的重要候選材料。但由于大量合金元素的添加，導(dǎo)致鈮合金室溫塑性和韌性不足，給其加工和應(yīng)用帶領(lǐng)了重要挑戰(zhàn)。此外，鈮合金易于吸氧，導(dǎo)致氧脆，同時(shí)抗氧化能力弱，也是制約其廣泛應(yīng)用的重要因素。為了提高鈮合金的抗氧化性，通過(guò)硅合金化，發(fā)展輕量化鈮-硅合金是一種重要的方法。 因此，系統(tǒng)研究鈮硅合金的強(qiáng)韌化機(jī)制，有利于發(fā)展極端環(huán)境高性能鈮合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。

鈮合金中硅元素的固溶強(qiáng)化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他合金元素，比如固溶硅的強(qiáng)化效果是固溶鈦的強(qiáng)化效果的兩倍，然而，其微觀機(jī)制是一個(gè)謎。論文系統(tǒng)研究了不同硅含量對(duì)鈮硅合金中刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)滑移行為和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化行為的影響機(jī)理。  研究發(fā)現(xiàn)，隨著固溶硅含量的增加，刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力均被顯著抑制，尤其對(duì)螺位錯(cuò)的可動(dòng)性影響更大，因而螺位錯(cuò)的交滑移能力逐漸喪失，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)從互相糾纏的復(fù)雜位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)演化為由長(zhǎng)直螺位錯(cuò)主導(dǎo)的單一位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。固溶硅原子對(duì)刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的強(qiáng)烈釘扎就是其固溶強(qiáng)化的主要來(lái)源。研究發(fā)現(xiàn)硅原子可能處于間隙位置，其造成的晶格畸變更加顯著，這是顯著固溶強(qiáng)化的主要原因。由于固溶元素硅原子與位錯(cuò)的強(qiáng)烈交互作用，鈮硅合金在高溫加工和熱處理時(shí)形成了大量的位錯(cuò)超割接位錯(cuò)段，這些位錯(cuò)超割接位錯(cuò)殘骸分別沿三個(gè){110}面分布。位錯(cuò)超割接位錯(cuò)殘骸的數(shù)量受固溶硅含量和預(yù)變形應(yīng)變量的影響。在后續(xù)變形中，由于固溶硅原子大大抑制了螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的可動(dòng)性，導(dǎo)致其自增殖能力消失，而預(yù)變形產(chǎn)生的位錯(cuò)超割接位錯(cuò)殘骸可以直接轉(zhuǎn)化為有效的位錯(cuò)源，發(fā)射可動(dòng)位錯(cuò)，協(xié)調(diào)鈮硅合金的塑性變形。因此，對(duì)于難變形的難熔金屬和合金，通過(guò)預(yù)變形的方式引入有效位錯(cuò)源，可以顯著提高其低溫變形能力，實(shí)現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的左移。

圖1  硅含量對(duì)鈮硅合金強(qiáng)化和韌化行為的影響。

圖2：硅含量對(duì)鈮硅合金斷裂行為的影響。

圖3：固溶硅原子對(duì)鈮硅合金中刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)釘扎過(guò)程的原位研究。

圖4：固溶硅原子對(duì)鈮硅合金中刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力和位錯(cuò)增殖能力的影響。

圖5：位錯(cuò)超割接在變形時(shí)可以轉(zhuǎn)化為有效的位錯(cuò)源發(fā)射位錯(cuò)協(xié)調(diào)變形。

圖6：固溶硅原子通過(guò)釘扎刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)，抑制螺位錯(cuò)交滑移，實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化；高溫預(yù)變形時(shí)固溶硅原子促進(jìn)位錯(cuò)超割接的形成，位錯(cuò)超割接在后續(xù)變形中可以轉(zhuǎn)化為有效的位錯(cuò)源，提高鈮硅合金的室溫變形能力。

本文系統(tǒng)研究了硅含量對(duì)鈮硅合金固溶強(qiáng)化和韌化行為的影響機(jī)理。固溶硅原子處于間隙位置，易于產(chǎn)生較大的晶格畸變，通過(guò)釘扎刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)，造成顯著的固溶強(qiáng)化。然而，刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的下降，使位錯(cuò)源效率大幅降低，抑制位錯(cuò)增殖能力，造成鈮硅合金的脆化。令人意外的是，鈮硅合金高溫變形時(shí)形成的位錯(cuò)超割接等位錯(cuò)殘骸可以作為有效的位錯(cuò)源，幫助難變形鈮硅合金實(shí)現(xiàn)室溫位錯(cuò)增殖，提高了鈮硅合金的變形能力?？傊?，若金屬材料變形時(shí)位錯(cuò)源效率比較低，可以通過(guò)增加位錯(cuò)源數(shù)量的方式，實(shí)現(xiàn)低溫增韌。

1. Li BQ, Beyerlein IJ, Shinzato S, Ogata S, Han WZ*, Mechanism of solute hardening and dislocation debris-mediated ductilization in Nb-Si alloy, Journal of Materials Science & Technology, 203 (2024) 167-179.

2. Zhang YH, Ma E, Sun J, Han WZ*, A unified model for ductile-to-brittle transition in body-centered cubic metals, Journal of Materials Science & Technology, 141 (2023) 193-198.

3. Lu Y, Zhang YH, Ma E, Han WZ*, Relative mobility of screw versus edge dislocations controls the ductile-to-brittle transition in metals, Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, 118 (2021) e2110596118.

韓衛(wèi)忠，西安交通大學(xué)，教授、博導(dǎo)。主要從事極端環(huán)境金屬材料強(qiáng)韌化機(jī)理研究。研究提出了位錯(cuò)源效率的概念，發(fā)現(xiàn)螺/刃位錯(cuò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是控制體心立方金屬韌脆轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素；發(fā)現(xiàn)點(diǎn)缺陷復(fù)合體誘發(fā)反常輻照強(qiáng)化、氧脆和輻照生長(zhǎng)的關(guān)鍵機(jī)理；發(fā)現(xiàn)界面調(diào)控金屬材料強(qiáng)韌化和輻照損傷的若干關(guān)鍵機(jī)制。在PNAS、PRL、Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances、Acta Materialia等發(fā)表SCI論文120篇。入選國(guó)家海外高層次青年人才計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)優(yōu)青項(xiàng)目。

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