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鈮硅合金的固溶強化與位錯殘骸的韌化機理

2025-01-20 11:51:33 作者：材料科學和技術來源：材料科學和技術分享至：

第一作者：李博清
通訊作者：韓衛忠
通訊單位：西安交通大學
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.052

01全文速覽

論文系統研究了固溶元素硅對鈮的固溶強化和韌化行為的影響機理。發現硅原子通過強烈釘扎刃位錯和螺位錯使鈮硅合金發生顯著固溶強化，同時鈮硅合金在加工過程中形成的大量位錯殘骸為后續變形提供了有效位錯源，有利于提高其變形能力。研究為設計極端環境高性能難熔金屬結構材料提供了重要思路。

02背景介紹

鈮合金具有高熔點、低密度，良好的高溫強度和抗蠕變性能，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，導致鈮合金室溫塑性和韌性不足，給其加工和應用帶領了重要挑戰。此外，鈮合金易于吸氧，導致氧脆，同時抗氧化能力弱，也是制約其廣泛應用的重要因素。為了提高鈮合金的抗氧化性，通過硅合金化，發展輕量化鈮-硅合金是一種重要的方法。因此，系統研究鈮硅合金的強韌化機制，有利于發展極端環境高性能鈮合金關鍵結構材料。

03本文亮點

鈮合金中硅元素的固溶強化效果遠遠高于其他合金元素，比如固溶硅的強化效果是固溶鈦的強化效果的兩倍，然而，其微觀機制是一個謎。論文系統研究了不同硅含量對鈮硅合金中刃位錯和螺位錯滑移行為和位錯結構演化行為的影響機理。研究發現，隨著固溶硅含量的增加，刃位錯和螺位錯的運動能力均被顯著抑制，尤其對螺位錯的可動性影響更大，因而螺位錯的交滑移能力逐漸喪失，位錯結構從互相糾纏的復雜位錯網絡演化為由長直螺位錯主導的單一位錯結構。固溶硅原子對刃位錯和螺位錯的強烈釘扎就是其固溶強化的主要來源。研究發現硅原子可能處于間隙位置，其造成的晶格畸變更加顯著，這是顯著固溶強化的主要原因。由于固溶元素硅原子與位錯的強烈交互作用，鈮硅合金在高溫加工和熱處理時形成了大量的位錯超割接位錯段，這些位錯超割接位錯殘骸分別沿三個{110}面分布。位錯超割接位錯殘骸的數量受固溶硅含量和預變形應變量的影響。在后續變形中，由于固溶硅原子大大抑制了螺位錯和刃位錯的可動性，導致其自增殖能力消失，而預變形產生的位錯超割接位錯殘骸可以直接轉化為有效的位錯源，發射可動位錯，協調鈮硅合金的塑性變形。因此，對于難變形的難熔金屬和合金，通過預變形的方式引入有效位錯源，可以顯著提高其低溫變形能力，實現韌脆轉變溫度的左移。

04圖文解析

圖1 硅含量對鈮硅合金強化和韌化行為的影響。

圖2：硅含量對鈮硅合金斷裂行為的影響。

圖3：固溶硅原子對鈮硅合金中刃位錯和螺位錯釘扎過程的原位研究。

圖4：固溶硅原子對鈮硅合金中刃位錯和螺位錯運動能力和位錯增殖能力的影響。

圖5：位錯超割接在變形時可以轉化為有效的位錯源發射位錯協調變形。

圖6：固溶硅原子通過釘扎刃位錯和螺位錯，抑制螺位錯交滑移，實現固溶強化；高溫預變形時固溶硅原子促進位錯超割接的形成，位錯超割接在后續變形中可以轉化為有效的位錯源，提高鈮硅合金的室溫變形能力。

05總結與展望

本文系統研究了硅含量對鈮硅合金固溶強化和韌化行為的影響機理。固溶硅原子處于間隙位置，易于產生較大的晶格畸變，通過釘扎刃位錯和螺位錯，造成顯著的固溶強化。然而，刃位錯和螺位錯相對運動能力的下降，使位錯源效率大幅降低，抑制位錯增殖能力，造成鈮硅合金的脆化。令人意外的是，鈮硅合金高溫變形時形成的位錯超割接等位錯殘骸可以作為有效的位錯源，幫助難變形鈮硅合金實現室溫位錯增殖，提高了鈮硅合金的變形能力。總之，若金屬材料變形時位錯源效率比較低，可以通過增加位錯源數量的方式，實現低溫增韌。

06參考文獻

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.

07課題組介紹

韓衛忠，西安交通大學，教授、博導。主要從事極端環境金屬材料強韌化機理研究。研究提出了位錯源效率的概念，發現螺/刃位錯相對運動速度是控制體心立方金屬韌脆轉變的關鍵因素；發現點缺陷復合體誘發反常輻照強化、氧脆和輻照生長的關鍵機理；發現界面調控金屬材料強韌化和輻照損傷的若干關鍵機制。在PNAS、PRL、Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances、Acta Materialia等發表SCI論文120篇。入選國家海外高層次青年人才計劃和國家自然科學基金委員會優青項目。

課題組主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wzhanxjtu

08引用本文

Bo-Qing Li, Irene J. Beyerlein, Shuhei Shinzato, Shigenobu Ogata, Wei-Zhong Han, Mechanism of solute hardening and dislocation debris-mediated ductilization in Nb-Si alloy, J. Mater. Sci. Technol. 203（2024）167-179