金屬材料是人類研究最多，應用最廣泛的材料，對其開發應用已經有幾千年的歷史。結合現代物理和化學等學科，經過最近兩個多世紀的研究，金屬材料的理論已經建立起來。但是人類的認識是無上限的，即使再成熟的材料，也有應用的難題以及未解決的科學問題。近幾年來，生物，化學，能源等學科發展迅猛，在頂刊上大放異彩，不斷刷新著人們的認識。傳統金屬材料則表現平平，相對默默無聞，在頂刊出現的幾率非常小。但是自9月份以來，金屬材料似乎也進行了一波爆發，研究取得了突破性進展，不斷地問鼎Science以及Nature和Science子刊。筆者在這里梳理了這些突破性進展，就讓我們來領略一下吧！

1.《Nature Materials》重大突破：追根溯源！原子角度揭示金屬硬化機理

人們對金屬硬化的理論解釋是位錯密度的增加導致加工硬化。盡管位錯和晶體塑性之間的直接因果關系現在已經建立起來，但沒有定量理論存在從晶格位錯的潛在行為來預測金屬硬化。最困難的是一直無法觀察位錯在應變過程中發生了什么。美國斯坦福大學Rodrigo Freitas & Vasily V. Bulatov團隊用一臺超級計算機來澄清是什么導致了金屬硬化。其模擬實驗證明了單個原子的運動如何轉換為位錯的運動，然后合起來產生金屬硬化，發現了階段性硬化是晶體旋轉的直接表現。這并非傳統位錯理論的潛在機制中推導出硬化。在模擬過程中，他們發現硬化是晶體旋轉的直接表現。應力-應變曲線形狀的特征變化直接歸因于應變過程中晶體旋轉的發生。在應變作用下旋轉的五個晶體中觀察到三階段硬化，而在三個不旋轉的晶體的曲線中觀察到沒有彎曲的拋物線形硬化。三個階段的硬化不是材料固有的特性，而是在標準單軸測試中對樣品施加的同軸度約束的運動學結果。因此，尋求以某種方式從一個硬化階段轉換到另一個硬化階段的位錯機制中的階段性硬化的解釋幾乎沒有意義。

圖1 沿應變軸的七個不同初始方向承受拉伸應變的單個鋁晶體的應力應變響應。a，從MD模擬中提取的應力應變響應。b，在單晶銅的拉伸應變測試中獲得的相應的實驗應力-應變曲線[1]。

2.西安交大《Science》子刊：超細層狀合金實現室溫韌脆轉變！

Fe-Al合金具有重量輕，強度高，耐磨損性和耐腐蝕性的完美結合，這使它們成為在極端環境下使用的大塊結構和保護涂層的主要候選材料。但是，Fe-Al合金中重量較輕的成分在室溫下脆性大。提高Fe-Al合金力學性能的一種方法是通過引入高密度的雙相界面。納米層狀金屬中的雙相界面可以作為位錯的來源，通過與其他位錯和缺陷的相互作用，從本質上改善材料的性能。納米層使得室溫強度提高了5- 10倍，特別是當片層間距減小到納米級（< 200nm）時。然而，這些強度的提高往往伴隨著塑性的降低。

西安交通大學微納中心韓衛忠教授課題組制備了室溫下具備良好塑性變形能力的交替FeAl / FeAl2層輕質共析Fe-Al合金，每層片層間距為2.5μm~259 nm之間。研究表明，低于1μm的臨界雙層厚度，FeAl2相會從典型的局部、不穩定的裂紋急劇變化為均勻且穩定的流動，實現從脆性到延性的過渡。

圖2 （A）Fe-Al相圖。紅色虛線表示這項工作中的合金成分。（B）具有FeAl和FeAl2相的FeAl合金的典型掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片。（C）具有層狀形態的FeAl合金的典型SEM圖像，其中亮相為FeAl2，暗相為FeAl。（D）FeAl和FeAl2的晶體結構。（E）層狀FeAl2 / FeAl的典型TEM顯微照片。（F）層狀FeAl / FeAl2合金的選擇區域電子衍射圖[2]。

3.《Nature Materials》原來如此！電流為什么能提高金屬的塑性？

強烈的外部刺激可能會顯著改變金屬的變形行為，當在變形期間經受周期性的電脈沖，許多金屬和合金顯示延展性急劇增加。因此“電塑性”成形在經濟上具有吸引力，并已被用于增強合金鈦、鋁、鎂、鋯和鋼的成形性。脈沖電流的施加可以改變微結構。雖然電塑性已經在實驗上得到了很好的證實，但其潛在的機制還不清楚。

美國加州大學柏克萊分校材料科學與工程系Andrew M. Minor教授團隊研究了鈦鋁合金的電塑性。作者在以下三種條件下進行了Ti-7Al的拉伸測試：（1）無電流（室溫下）；（2）脈沖電流，幅值0.5*103A cm-2，脈沖持續時間100 ms；（3）0.5*103 A cm-2的連續電流。研究發現脈沖電流的應用可以極大地改變缺陷的結構，從局部平面滑移過渡到均勻波滑移。這種在微觀結構中的急劇轉變在提高材料的延性方面產生了有益的效果。宏觀電塑性源于缺陷層的微觀結構重構，臨界電塑性閾值可能遠低于臨界電流流動應力的下降。由于該機制通過改變變形過程中的位錯模式來提高強度和延伸率，因此預計該機制僅適用于延性受變形模式限制的材料。

圖3 預變形至工程應變5％的樣品的位錯形態比較。a，室溫下拉伸變形樣品的明場TEM顯微照片顯示了平面滑移結構。b，從[0001]區域軸成像的位錯網絡。c，d，樣品在電脈沖作用下變形的明場TEM顯微照片，顯示出相對更均勻的位錯分布[3]。

4.《Science》子刊：新發現！難熔高熵合金獨特的彈塑性變形行為！

對于高熵合金，通過增加構型熵使吉布斯自由能最小化，導致形成單相或多相固溶體。具有不同原子半徑的多個元素的隨機分布導致晶格嚴重扭曲。繼而有助于較好的力學性能，例如高硬度、強度、延展性以及在室溫（RT）和高溫下的抗軟化性。

美國田納西大學聯合臺灣國立交通大學、美國國家能源技術實驗室和橡樹嶺國家實驗室等六所頂級研究機構首次使用原位中子實驗研究了NbTaTiV BCC難熔HEA在室溫和高溫下的彈性和塑性變形行為。所測的變形行為與傳統的BCC合金的不同之處表現為：1） 晶格應變演化和測得的衍射彈性模量表明了室溫下的彈性各向同性行為；2）該材料在高溫下缺乏較強的溫度依賴性彈性各向異性變形行為；3）該文作者進一步使用中子衍射擴峰模型研究了可移動位錯的類型，并HAADF-STEM技術進行了實驗驗證。研究發現塑性變形過程中可移動位錯的主要類型是刃位錯。中子衍射的結果和微觀結構的表征表明，在高達900°C的溫度下，BCC單相穩定性極佳。此外，本合金具有高的屈服強度和在RT下的優異可塑性以及在高溫下的抗軟化性。晶格應變演化結果表明，與常規金屬材料相比，在高溫下，獨特的彈性變形行為在室溫下表現為彈性各向同性，并且彈性各向異性變形行為的溫度依賴性較小。這項研究提供了單BCC固溶相難熔HEA在高溫下使用原位中子實驗和理論計算結合的獨特彈性和塑性變形行為的證據[4]。

5.《Science》子刊：創紀錄！打破低碳鋼晶粒細化和強度極限。

增加碳含量是最有效和最經濟的提高鋼強度的方法。但導致焊接性及加工性降低。超塑性變形（SPD）技術可以細化金屬的晶粒尺寸到超細晶制度（1000至100nm）或甚至納米晶（<100nm）。變形細化晶粒是一個位錯、動態恢復、再結晶和晶界遷移之間相互競爭的過程。如果在變形過程中增加位錯密度或抑制動態恢復和再結晶，則細化效果明顯。材料微觀結構在塑性變形期間產生幾何必要位錯（GND）和統計存儲位錯的密度。動態恢復和再結晶消除了位錯，從而阻礙了結構的細化。降低加工溫度或材料中有沉淀物會減慢動態恢復和再結晶的動力學，但會削弱變形能力。另外，間隙原子對位錯和界面的釘扎效應有助于實現納米結構。在適中的溫度下，間隙原子具有足夠的移動性，可以在位錯處動態分離。結果位錯和位錯消失的遷移率降低。由于溶質原子起到固定位錯的作用，因此將有助于位錯存儲，從而促進微結構的細化。

納米異構材料中心朱運田教授團隊利用微觀結構的異質性和間隙原子實現低碳鋼晶粒的極端細化。研究發現在300°C進行簡單的工業熱軋，可以制備出納米片狀結構（平均厚度約為17.8 nm）的塊狀超強（> 2 GPa）低碳鋼。在精心設計的初始微觀結構的背景下，熱軋比冷軋可產生更精細的微觀結構。其主要的機理是（i）通過調節熱軋溫度來改善雙相異質結構的變形兼容性；（ii）將碳原子隔離到層狀邊界以穩定納米片層。溫軋生產的片層比冷軋生產的更細，這證明了調整含間隙異質結構的變形兼容性對晶粒晶化的潛力和重要性。該策略應適用于大多數低碳和低合金鋼，并且可以在任何鋼廠中實施而無需修改現有設施。

圖4 典型鋼樣品的掃描電子顯微鏡顯微照片和力學性能（A和B）與初始纖維雙相（DP）樣品相比，冷軋和熱軋鋼樣品的工程應力-應變曲線。（A1），（A2）和（A3）是掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片，顯示了冷軋壓下率分別為30％，60％和90％的樣品的顯微組織。（B1），（B2）和（B3）是SEM顯微照片，SEM顯微照片顯示了熱軋壓下率分別為30％，60％和90％的樣品的顯微組織。（C）SEM顯微照片顯示了纖維DP的微結構[5]。

6.《Science》：重大發現！解密難熔高熵合金異常高溫強度和高塑性的根源！

在許多技術應用，特別在航空航天和發電部門，難熔合金是高溫下使用的很有吸引力的候選材料。但這類材料的合金開發進展緩慢。目前為止，體心立方（bcc）難熔多主元合金（MPEAs）在高溫下顯示出的高強度非常具備吸引力，其在某些情況下超過了先進的鎳基高溫合金（在1200℃以上往往會失去強度）。在高溫下保持強度能夠提高工作溫度，可以提高能源、航空航天和核應用的效率。但是傳統的bcc合金也有其缺點，主要表現為力學性能嚴重依賴于溫度，隨著溫度的降低，通常表現為韌脆轉變。這種行為的起源與螺旋位錯的緩慢運動有關。

美國加利福尼亞大學Daniel S. Gianola教授團隊首次清楚地證明：（1）在0.12 T的低溫度下，難熔MPEA中有大量非螺桿節段存在滑動錯位；（2）高階滑移面在bcc MPEA變形過程中扮演著重要角色；（3） 理論上提出了隨機防滑性的概率描述。這個成果解釋了材料在較高溫度下具有高強度和均勻塑性的理論機理，有助于理解強度的弱溫度依賴性。這三個特性都適用于將材料暴露在極端溫度下的應用場合，而在傳統的金屬或合金中無法同時達到。

圖5 等原子的MoNЬ鈦合金屈服應力對溫度的依賴關系。（A）有代表性的難熔MPEAs是經壓縮試驗的bcc相多晶體 。為便于比較，本文還包括了純bcc金屬在再結晶（RX）或軋制（板）條件下的拉伸屈服應力。（B）密度由（22）起。最上面的數據是在室溫下。盒子突出了600到1000℃溫度范圍內的屈服強度。（C和D）位錯形態分別在稀釋元素合金和bcc MPEA中{1-10}滑移面上的示意圖。（E）含有87 nm×87 nm×246 nm的原子探針層析重建29.5 x 10^6個離子，顯示了所有原子和Mo. Nb或Ti原子的空間分布[6]。

7.《Science》重磅！金屬疲勞領域獲得重大突破！

金屬材料在施加循環載荷的應用中，減輕疲勞失效是非常重要的。在塑性金屬中，疲勞裂紋的萌生是很小的，無裂紋金屬到有裂紋的轉變機理一直是金屬疲勞研究的重大挑戰之一。材料微裂紋的成核是位錯在循環加載過程中往復運動的結果，使位錯自生長成長程有序結構。階梯位錯結構（通常稱為駐留滑移帶（PSBs））是疲勞裂紋萌生過程中最重要的缺陷結構。PSBs的形態表現為有規則的間隔，由位錯-位錯偶極子將其分隔成類似階梯的結構。

美國約翰·霍普金斯大學Steven Lavenstein教授團隊在微米級Ni單晶體中（一種典型的面心立方晶體）設計了一種高周疲勞實驗，成功復制了PSB形成的必要條件，對利用高分辨透射對PSBs進行原位觀察和表征。結果發現PSBs在微晶體積內局部成核，然后逐漸傳播，直到它們跨越整個滑動區域。PSB表面滑移痕跡成型后具有粗糙度。充分增殖后，PSB滑痕的粗糙度在進一步循環載荷下保持穩定。該模型揭示的具體機理為：（i） 在最初的加載循環中，平行平面的位錯源將被激活，該位錯源具有最高的分解剪應力。自由表面的位錯將脫離微晶，直線型表面臺階。（ii）在進一步的循環加載后，由于位錯的往復運動，在主滑移面上形成位錯纏結。這些位錯也與次級位錯糾纏在一起。（iii）在臨界數量的循環之后，位錯纏結脫離，形成初級刃型位錯偶極子。（iv）由于螺旋位錯的往復滑動，偶極子聚集成梯形結構，構成PSB核。（v）隨著周圍基質的位錯解開并成為PSB階梯結構的一部分，PSB核變寬和變長。

圖6 位錯微觀結構與表面滑移標記的演化[7]。

8.《Nature》子刊：疲勞壽命提高25倍！提出高強度鋁合金組織設計新概念。

鋁合金是使用最普遍的工程用合金之一。與鋼等其它材料相比，它們輕，無磁性，并且具有優異的耐腐蝕性。所以它們在減重的應用中具有明顯優勢。通常制備飛機，汽車等結構材料的合金在運輸過程中受交變應力，材料必須承受的應力本質上是循環的。所以在在這些應用中，材料的抗疲勞性能是至關重要的。據估計，80%的工程合金失效是由于疲勞。對于鋼材而言，疲勞強度（動態特性）和抗拉強度（靜態特性）是緊密相關的：所以提高疲勞強度時應該采取的一種策略是選擇具有較高拉伸強度的材料。但是對于鋁合金，高強度鋁合金的疲勞性能相對較差。 

疲勞失效是分階段發生的，具體為塑性局部化催化疲勞裂紋的產生-疲勞裂紋擴展-最終導致斷裂。所有階段都是重要的，但對整體疲勞壽命的相對貢獻取決于外部載荷條件。在高周疲勞（HCF）中，循環應力明顯低于單調屈服強度，大部分壽命被塑性局部化和臨界尺寸的疲勞裂紋所消耗。莫納什大學材料科學與工程系Christopher Hutchinson教授團隊介紹了一種新組織設計概念，可大幅提高析出物強化鋁合金的HCF性能。并證明了疲勞壽命增加了至少一個數量級，且疲勞強度增加到抗拉強度的？1/2。該方法主要新穎性是利用疲勞早期循環中賦予材料的機械能，通過使用早期應變分配循環來驅動動態沉淀，以達到強化微觀結構的目的，極大地延遲了塑性局部化和疲勞裂紋的萌生，從而提高了疲勞壽命和疲勞強度。所以微觀結構不會因疲勞載荷而在較長時間內保持穩定，而是要通過動態載荷來改變微觀結構。設計一個初始的微觀結構將在這種情況下發生變化，可以顯著改善其疲勞性能。

圖7 具有明顯的無沉淀區（PFZ）的空氣淬火（AQ）AA2024，AA7050和AA6061合金的表面演變。a，c，e在一定數量的高周疲勞（HCF）之后，峰值時效（PA）合金沿晶界出現較大的局部表面起伏。b，d，f在一定數量的高周疲勞（HCF）之后，通過欠時效（UA）合金的晶粒形成的均勻表面浮雕。紅色曲線顯示用白色箭頭突出顯示的不同表面起伏的相對高度[8]。

參考文獻：

[1] Luis A. Zepeda-Ruiz, Alexander Stukowski, Tomas Oppelstrup et al. Atomistic insights into metal hardening: https://www.nature.com/articles/s41563-020-00815-1.

[2] Lu-Lu Li, Yanqing Su, J. Beyerlein. Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultrafine layered Fe-Al alloys. https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb6658

[3]Shiteng Zhao, Ruopeng Zhang, Yan Chong et al. Defect reconfiguration in a Ti–Al alloy via electro plasticity. Nature Mater，2020. https://www.nature.com/articles/s41563-020-00817-z

[4]Temperature dependence of elastic and plastic deformation behaviorof a refractory high-entropy alloy, https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eaaz4748

[5] Ultrastrong low-carbon nanosteel produced by heterostructure and interstitial mediated warm rolling. https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eaba8169

[6]Fulin Wang, Glenn H. Balbus, Shuozhi Xu et al. Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy. DOI：10.1126/science.aba3722

[7] Steven Lavenstein, Yejun Gu, Dylan Madisetti et al，The heterogeneity of persistent slip band nucleation and evolution in metals at the micrometer scale. Science， 2020. DOI: 10.1126/science.abb2690

[8] Qi Zhang , Yuman Zhu , Xiang Gao，et al Training high-strength aluminum alloys to withstand fatigue. Nature communications，2020 https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7