金屬結(jié)構(gòu)材料的高強(qiáng)度和大拉伸延性（意味著材料具有高靜力韌性，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積）是其工程應(yīng)用的前提，特別是低溫環(huán)境所用材料的強(qiáng)-塑-韌性匹配尤為重要，以避免低溫脆性導(dǎo)致的災(zāi)難性事故發(fā)生。這通常要求合金不僅具有高的屈服強(qiáng)度(YS, σy > 1.0GPa)，還要高加工硬化率(WHR, Θ)以實(shí)現(xiàn)大均勻延伸率(UE, ?u > 15%)和高抗拉強(qiáng)度(UTS, σUTS > 2.0GPa)。目前，廣泛使用的低溫合金（如316L不銹鋼）難以滿足上述要求，其原因在于它們使用的強(qiáng)化相（如BCC相、B2相等）體積分?jǐn)?shù)低且具有低溫脆性，急劇損失合金的塑韌性。與傳統(tǒng)低溫鋼相比，提升合金低溫性能的有效途徑是采用復(fù)雜濃縮合金的設(shè)計(jì)理念，這涉及到采用多種主元素以在形成富鐵FCC復(fù)雜濃縮合金。盡管單相FCC復(fù)雜濃縮合金具有高塑性/韌性，但是其強(qiáng)度通常較低，特別是具有相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)的FCC復(fù)雜合金的屈服強(qiáng)度極低，導(dǎo)致材料韌性也難以滿足需求。

針對上述問題，西安交大金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍院士團(tuán)隊(duì)受鐵基和鎳基高溫合金微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出使用高體積分?jǐn)?shù)共格 L12納米析出相強(qiáng)化FCC富鐵復(fù)雜濃縮合金(CCA)基體。為了實(shí)現(xiàn)低溫高強(qiáng)度大延性/韌性，該合金的設(shè)計(jì)思想是：在FCC基體中構(gòu)筑超高密度的雙功能共格L12納米析出相，一方面L12相作為位錯障礙以顯著增強(qiáng)屈服應(yīng)力，另一方面在足夠高的應(yīng)力水平下使其作為位錯源被激活，提供充足的不全位錯以實(shí)現(xiàn)高加工硬化性能，從而實(shí)現(xiàn)大均勻延伸率。特別是，超高密度的納米L12析出相在發(fā)生孿生變形的同時顯著提升了合金的流變應(yīng)力水平，使得在低溫77K拉伸時FCC基體轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC相，通過此TRIP效應(yīng)進(jìn)一步提升了合金的加工硬化率(WHR > 4GPa)。由于復(fù)雜濃縮合金相變產(chǎn)生的BCC相中螺位錯和刃位錯在高應(yīng)力水平下具有相近的可動性，從而避免了FCC-BCC轉(zhuǎn)變所誘發(fā)的低溫脆性，這與傳統(tǒng)的富碳馬氏體的FCC-BCT相變誘發(fā)的低溫脆性截然不同。

為此，團(tuán)隊(duì)基于領(lǐng)域知識輔助的機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行了合金設(shè)計(jì)，獲得了L12析出強(qiáng)化型Fe35Co29Ni24Al10Ta2復(fù)雜濃縮合金，其L12相的尺寸約10nm、體積分?jǐn)?shù)高達(dá)≈ 65±3 vol.%，從而在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)了前所未有的性能組合，即YS ≈ 1.4GPa，UTS ≈ 2.25GPa，UE ≈ 45%和WHR > 4GPa。該復(fù)雜濃縮合金的靜力韌性高于迄今為止已知的所有低溫用合金，有望應(yīng)用于低溫領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)提出的合金設(shè)計(jì)策略也為其他高性能合金設(shè)計(jì)提供了新思路。

該研究成果以“A Complex Concentrated Alloy with Record-High Strength-Toughness at 77 K”（“77K下復(fù)雜濃縮合金創(chuàng)紀(jì)錄的高強(qiáng)度和韌性”）為題在線發(fā)表于《Advanced Materials》(《先進(jìn)材料》)上。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生Yasir Sohail和張崇樂為上述論文的共同第一作者，張金鈺教授、薛德禎教授、馬恩教授和孫軍院士為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括李蘇植教授和劉剛教授。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該工作的唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的共同資助。

論文地址:

 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410923

圖1.  Fe35Co29Ni24Al10Ta2合金的初始態(tài)、室溫變形和低溫變形微觀結(jié)構(gòu)

圖2. 設(shè)計(jì)的Fe35Co29Ni24Al10Ta2合金與目前報道的高性能合金在室溫/低溫下的性能對比