針對(duì)環(huán)境問(wèn)題，超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料的需求一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)。馬氏體時(shí)效合金通過(guò)減少點(diǎn)陣缺陷和形成金屬間析出相而具有較高的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性。半共格析出相是表現(xiàn)超高強(qiáng)度的關(guān)鍵；然而，它們?nèi)匀恢荒塬@得有限的加工硬化和均勻的延性。

在此，來(lái)自韓國(guó)首爾大學(xué)的Seok Su Sohn等研究者展示了一種涉及變形半共格沉淀物及其動(dòng)態(tài)相變的策略，該策略基于兩種有序相之間窄而穩(wěn)定的間隙。相關(guān)論文以題為“Doubled strength and ductility via maraging effect and dynamic precipitate transformation in ultrastrong medium-entropy alloy”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35863-z

馬氏體是結(jié)構(gòu)材料中通過(guò)剪切或位移相變形成的一種非常堅(jiān)硬的微觀成分，最初是由德國(guó)科學(xué)家馬丁斯在淬火鋼中發(fā)現(xiàn)的。馬氏體的技術(shù)重要性，主要來(lái)自其基于層次子結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度，而在大多數(shù)碳鋼中，馬氏體顯微組織經(jīng)過(guò)回火，通過(guò)增加延展性而降低強(qiáng)度來(lái)賦予更大的韌性。馬氏體時(shí)效合金(馬氏體+時(shí)效)是一類特殊的低碳鋼，可阻礙脆性碳化物的形成，在保持較高延展性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的理想組合。馬氏體時(shí)效，可以通過(guò)減少馬氏體相變過(guò)程中形成的晶格缺陷來(lái)恢復(fù)延性，并通過(guò)形成納米級(jí)金屬間沉淀物來(lái)利用額外的硬化效應(yīng)，而不是像含碳回火馬氏體中那樣形成各種碳化物。然而，引入大的共格應(yīng)變和非均勻分布的半共格析出相可能導(dǎo)致裂紋萌生，這是一把雙刃劍。此外，由于商業(yè)馬氏體時(shí)效合金的屈服強(qiáng)度為2吉帕斯卡(GPa)或更高，由于加工硬化有限，其均勻延性限制在~2%，因此，需要進(jìn)一步提高強(qiáng)度和加工硬化才能得到廣泛應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)相變被稱為相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)，是克服有限加工硬化的可行策略。在機(jī)械變形作用下，由相對(duì)柔軟的母相轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬的馬氏體，導(dǎo)致高加工硬化和延遲頸縮現(xiàn)象。因此，人們對(duì)TRIP效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，以獲得堅(jiān)韌的結(jié)構(gòu)材料。動(dòng)態(tài)相變是通過(guò)基于知識(shí)的化學(xué)成分修改來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以縮小母相和產(chǎn)生的馬氏體之間的相穩(wěn)定性差距。然后，在使用溫度下，機(jī)械加載和變形可以啟動(dòng)馬氏體相變。然而，這種設(shè)計(jì)概念的局限性是固有的軟母相，典型的無(wú)序面心立方(fcc)相。與硬馬氏體相比，該相在較低的應(yīng)力水平下開(kāi)始塑性變形，最終導(dǎo)致較低的屈服強(qiáng)度。

在此，研究者展示了一種利用多用途半共格析出相作為有效位錯(cuò)障礙的策略，同時(shí)也追求動(dòng)態(tài)析出相轉(zhuǎn)變，以顯著提高初始硬馬氏體FeCo_0.8V_0.2中熵合金(MEA)作為模型合金的屈服強(qiáng)度和加工硬化行為。MEAs，作為高熵合金(HEAs)的一個(gè)亞類，多主元素合金，或組成復(fù)雜的合金，通常由3-4個(gè)元素在高濃度下組成，其中高構(gòu)型熵支持固溶相而不是金屬間化合物的形成。這些合金表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，這是由于組成元素的原子體積和電負(fù)性差異較大，而導(dǎo)致的高固溶強(qiáng)化或嚴(yán)重的晶格畸變。基于該強(qiáng)矩陣，通過(guò)Ab initio計(jì)算選擇了發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的析出相，結(jié)果表明，50Co-25Fe-25V析出相在hP24 (Al3Pu型)(有序六方密堆(hcp)結(jié)構(gòu))和L12(有序fcc結(jié)構(gòu))之間的相穩(wěn)定性差異不明顯。窄的穩(wěn)定間隙最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)選擇的靈活性取決于成核部位；hP24位于基體中，L1₂位于晶界。基體內(nèi)的hP24主要作為位錯(cuò)障礙，晶界處的亞穩(wěn)L1₂通過(guò)動(dòng)態(tài)析出相轉(zhuǎn)變?yōu)閔P24，提高了加工硬化速率。這種組合驅(qū)動(dòng)了顯著的機(jī)械性能，導(dǎo)致強(qiáng)度(高達(dá)2.1 GPa)和均勻延展性(約4.0%)的兩倍增強(qiáng)。研究結(jié)果為合金設(shè)計(jì)提供了一種很有前景的思路，即針對(duì)具有較窄穩(wěn)定間隙的多個(gè)半共格析出相，以促進(jìn)超強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)材料的柔性析出行為和動(dòng)態(tài)析出相轉(zhuǎn)變。

圖1 A3B1型(A:(Fe,Co)，B: V)相穩(wěn)定性的第一性原理密度泛函理論(DFT)計(jì)算。

圖2 時(shí)效條件下析出物的特征。

圖3 合金的室溫力學(xué)性能。

圖4 24H合金的變形機(jī)理。

圖5 說(shuō)明微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖。

綜上所述，研究者展示了一種設(shè)計(jì)策略，通過(guò)可變形的hP24和可變形的L1₂ PPTs，可以獲得~2 GPa的超高強(qiáng)度和可接受的~4.0%的均勻伸長(zhǎng)率。通過(guò)控制(Fe,Co)₃V中有序相的相對(duì)穩(wěn)定性，賦予了亞穩(wěn)性，從而實(shí)現(xiàn)了金屬間化合物的動(dòng)態(tài)相變。與馬氏體合金相比，傳統(tǒng)TRIP合金的軟基體或無(wú)序第二相導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度較低。因此，現(xiàn)有的初始硬質(zhì)馬氏體基體和半共格金屬間化合物使屈服強(qiáng)度沒(méi)有下降，確保了超強(qiáng)金屬材料。除了強(qiáng)度外，該合金還通過(guò)采用內(nèi)部PPTs中的SF形成和晶界PPTs中的TRIP效應(yīng)克服了有限的加工硬化和塑性行為。這些復(fù)雜的冶金機(jī)制與簡(jiǎn)單的熱處理建議，實(shí)現(xiàn)了高性能和承重的應(yīng)用要求。研究者期望這些多重半共格析出相和動(dòng)態(tài)析出相轉(zhuǎn)變，適用于下一代超強(qiáng)金屬材料的開(kāi)發(fā)。