金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，阻礙金屬的進一步變形，而塑性和韌性降低的現象被稱為加工硬化。加工硬化是金屬結構材料拉伸塑性的基礎，其前提是拉伸變形時在晶粒內部形成、增殖并儲存的位錯，位錯之間以及位錯與界面和析出相等的交互作用引起加工硬化。當晶粒細化至納米尺度時，晶粒內部則很難產生并儲存位錯，降低了加工硬化能力，引起低塑性瓶頸。在高強度納米結構金屬中，如何形成并儲存位錯是實現其加工硬化的難題，更是挑戰。

基于以上難題，中國科學院力學研究所武曉雷研究員團隊在Nature Materials發表了題為“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”的論文，提出了一種加工硬化新策略，即利用并控制已經發生的塑性失穩實現加工硬化，并據此策略獲得了目前最高的力學性能。通過在多主元VCoNi合金中利用呂德斯帶（LB）誘導的局部頸縮來促進位錯的快速增殖，實現了林位錯加工硬化和異質變形誘導硬化，后者是幾何必需位錯與化學短程有序的應變場之間交互作用的結果。這種雙重工作硬化作用不僅抑制了過早的頸縮，而且促進了均勻變形，實現了在室溫和低溫變形過程中，可獲得約2GPa的屈服強度和20%的延展性，同時實現了超高的強度和延展性。這些發現為在超高屈服強度下克服強度-塑性悖論提供了一種新的不穩定性控制范式。

研究人員利用像差校正高角環形暗場像和弱束暗場像分析了位錯的核心結構、位錯密度及位錯與界面的交互作用。變形過程中呂德斯帶前端位錯快速產生和累積形成位錯纏結，這些位錯纏結會捕獲可動位錯，成為呂德斯帶擴展的主要機制。

圖1  多主元VCoNi合金的初始微結構 © 2024 Springer Nature

圖2  LB前端的早期頸縮、塑性響應和位錯增殖 © 2024 Springer Nature

圖3  拉伸變形后晶粒內部的位錯行為 © 2024 Springer Nature

圖4  LB擴展和均勻變形過程中的加工硬化 © 2024 Springer Nature

圖5  通過利用并控制早期頸縮實現加工硬化 © 2024 Springer Nature

本研究通過在VCoNi多主元合金中利用LB誘導的局部頸縮，產生三軸應力和應變梯度，促使位錯快速增殖，這會導致林位錯硬化及額外的由位錯與局部化學有序區相互作用而產生的加工硬化，實現了位錯的快速增殖和雙重工作硬化。這種雙重的強化機制反過來抑制和穩定了LB的失穩擴展，促進了均勻變形，從而在超高屈服強度下獲得了優異的延展性。這一發現不僅為解決金屬結構材料中的強度—塑性權衡問題提供了新的策略，也為設計和開發具有優異力學性能的新型合金材料提供了重要的理論依據。通過這種方法，可以在保持材料高強度的同時，顯著提高其塑性，為先進高強金屬材料的發展開辟了新的可能性。

原文詳情：Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys (Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01871-7)