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馬普所《Nature》子刊：新型合金設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)4.2GPa近理論強(qiáng)度！

2022-03-03 15:25:17 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

高強(qiáng)高塑性合金在航空航天、汽車運(yùn)輸、精密制造等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，因此，研發(fā)具備超高強(qiáng)度與大均勻塑性變形能力的新型合金是材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。然而，金屬材料的實(shí)際強(qiáng)度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值（理論強(qiáng)度=剪切模量/10）。并且，合金的均勻塑性變形能力通常隨著強(qiáng)度的提升而降低，即材料領(lǐng)域常見的“強(qiáng)度-塑性相互掣肘”難題。

原子尺寸較小的間隙元素如O、C、N在合金中位于晶格的間隙位置，可以引起劇烈的晶格畸變，有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。因此，間隙固溶強(qiáng)化可以大幅提升合金強(qiáng)度。然而，傳統(tǒng)間隙固溶合金的間隙元素含量通常較低（< 2 at.%），難以將強(qiáng)度提升至近理論極限。此外，間隙固溶合金的塑性變形能力通常隨間隙元素含量提升而降低，特別是當(dāng)間隙元素含量超過一定數(shù)值（如2 at.%）時(shí)，容易生成脆性陶瓷相如氧化物、碳化物，大幅降低合金的塑性。

針對(duì)這一問題，德國(guó)馬普鋼鐵所研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的超強(qiáng)高塑性合金設(shè)計(jì)策略：使用具備劇烈晶格畸變的多組元合金作為基體，引入大量間隙固溶元素，從而獲得近理論強(qiáng)度與大塑性均勻變形能力。研究團(tuán)隊(duì)將此類新型合金命名為 “大量間隙固溶（MISS）合金” 。研究團(tuán)隊(duì)借助熱力學(xué)理論指導(dǎo)，結(jié)合高熵合金的過飽和置換固溶體特性，將等原子比TiNbZr合金作為基體，成功在該合金中引入12 at.%的間隙O元素，并且沒有生成氧化物，合金保持單相體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)。這一大量間隙固溶合金具備4.2 GPa的超高屈服強(qiáng)度（換算為剪切強(qiáng)度=剪切模量/18），接近理論極限（剪切模量/10），和優(yōu)異的均勻塑性變形能力（在微柱壓縮試驗(yàn)中能均勻變形至65%應(yīng)變）。

相關(guān)成果以“Massive interstitial solid solution alloys achieve near-theoretical strength”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature子刊《Nature Communications》。劉暢博士（馬普所）為論文第一作者，通訊作者為吳戈教授（西安交通大學(xué)）、李志明教授（中南大學(xué)）和DierkRaabe院士（馬普所）。其他作者還包括逯文君助理教授，夏文真教授，杜朝偉博士，饒梓元博士，James P. Best博士，SteffenBrinckmann博士，呂堅(jiān)院士，Baptiste Gault教授，Gerhard Dehm教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28706-w

圖1 大量間隙固溶O-12合金與等原子比TiNbZr合金的結(jié)構(gòu)

（a）O-12合金與（b）TiNbZr合金的截面與平面透射電鏡（TEM）圖片。x-y面為合金表面，z面為合金截面。（a, b）右上方插圖是針對(duì)截面試樣的典型選區(qū)電子衍射（SAED）花樣，顯示了單相BCC結(jié)構(gòu)；右下方插圖是相應(yīng)合金的晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)。（c, d, e ）環(huán)形明場(chǎng)掃描透射電子顯微圖（ABF-STEM），展示O-12合金的結(jié)構(gòu)，且沒有氧化物生成

圖2 大量間隙固溶O-12合金的原子探針層析（APT）及X射線衍射（XRD）表征結(jié)果。

（a）APT數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)圖。（b）在（a）中箭頭所示區(qū)域的1D成分圖。（c）從APT數(shù)據(jù)中截取的薄片顯示2組{1 1 0}晶面，晶格間距為0.24nm。（d）O-12合金與TiNbZr合金的XRD數(shù)據(jù)，顯示單相BCC結(jié)構(gòu)。

圖3 大量間隙固溶O-12合金的力學(xué)性能。

（a）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，插圖為O-12微米柱在壓縮試驗(yàn)前的SEM圖像。（b）彎曲試驗(yàn)載荷-位移曲線，插圖顯示金剛石壓頭與O-12懸臂梁在彎曲試驗(yàn)時(shí)的SEM圖像。（c, d）塑性變形后的微米柱與懸臂梁。（e）大量間隙固溶O-6合金不同壓縮應(yīng)變下的TEM截面圖。

圖4 大量間隙固溶O-12合金的塑性變形機(jī)制。

（a）65%壓縮應(yīng)變的O-12微米柱的典型TEM截面圖，顯示變形前40 nm左右直徑的柱狀晶在塑性變形后被細(xì)化為10nm左右直徑的等軸晶。插圖為相應(yīng)的SAED圖。（b）高分辨TEM（HRTEM）圖像，顯示沿[11 1]帶軸觀察的O-12微米柱變形后的晶粒，插圖為對(duì)應(yīng)的FFT圖。（c）APT數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)圖，顯示了塑性變形后O-12微米柱內(nèi)的晶界形狀變彎曲。（d）在（c）圖中箭頭所示區(qū)域的1D成分圖，O-12合金在變形后的晶界成分相較變形前基本沒有改變。

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