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《Nature》:一種新機制!設計出2.3GPa超高強塑性納米合金

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當金屬材料內部的晶粒尺寸減小至納米尺度,材料的強度將依Hall-Petch關系大幅度提高。但當納米晶金屬塑性變形時,位錯變得極難在如此小的晶粒內部保留下來,導致材料喪失應變硬化能力,很容易發生塑性變形局域化而失穩。

近期,由吉林大學、西安交通大學、悉尼大學、南京理工大學等組成的研究團隊,對超高強納米金屬的應變硬化提出了一種新的機制,并依此路徑設計了新穎的高性能合金。相關研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”為題于北京時間2022年4月13日在Nature上在線發表。文章共同第一作者為吉林大學李恒博士、西安交通大學宗洪祥教授和李蘇植教授。共同通訊作者為吉林大學韓雙副教授、西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室丁向東教授、南京理工大學沙剛教授、悉尼大學廖曉舟教授和西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室馬恩教授。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w

《Nature》:一種新機制!設計出2.3GPa超高強塑性納米合金

上述研究團隊以NiCo合金作為模型材料,利用脈沖電沉積工藝,在面心立方單相雙主元固溶體合金中構筑出了由納米晶粒(晶粒尺寸26 nm)及其內部多尺度成分起伏(1-10 nm)組成的復合納米結構。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯能和晶格應變場的明顯起伏,其發生的空間尺度恰能有效地與位錯交互作用,從而改變了位錯動力學行為,使位錯運動呈現出遲滯、間歇、纏結的特征,促使其在納米晶粒內部有效增殖存儲,提高了材料的應變硬化能力。另一方面,由于位錯線不再平直均勻前行,而是粘滯滑移,一段段地“納米片段脫捕”,這一激活過程提高了位錯運動的應變速率敏感性,提升了應變速率硬化能力。

在應變硬化與應變速率硬化的共同作用下,該納米合金在超高流變應力水平上展現出獨特的強度與塑性的優化配置,達到了單相面心立方金屬(包括傳統的溶劑—溶質固溶體)前所未有的新高度:材料的屈服強度達到1.6 GPa,最高拉伸強度接近2.3 GPa,拉伸斷裂應變可達16%。要實現這樣的強塑性,過去要靠超高強鋼,但后者均為復雜多相、且易發生呂德斯帶形變和韌脆轉變。

本研究中展示的是一種基于納米尺度(1-10 納米)明顯成分起伏與運動位錯間相互作用的強化機制,不同于基于原子半徑差的傳統固溶強化—即單個溶質原子與位錯應力場間的相互作用。通過選擇合適的合金體系或制備工藝,這一結構-成分復合調控理念可望為新型合金材料的設計與開發開辟新的思路。

該工作由多個研究小組通力合作完成。吉林大學韓雙副教授、西安交通大學丁向東教授和孫軍院士共同提出了項目構想并指導團隊實施了相關合金制備、力學性能實驗與分子動力學數值模擬工作。西安交通大學馬恩教授凝練了核心科學問題并主導了對結果的理解和論文的撰寫。該研究的電子顯微分析工作由悉尼大學廖曉舟教授領導的科研團隊完成。南京理工大學沙剛教授團隊通過原子探針分析揭示了多尺度成分起伏的存在。研究涉及的同步輻射X射線表征、測試和分析由香港城市大學任洋教授領導的科研團隊完成。該研究得到國家自然科學基金、創新引智111計劃2.0項目、澳大利亞研究理事會、國家留學基金委員會和吉林省科技發展計劃項目的資助。

《Nature》:一種新機制!設計出2.3GPa超高強塑性納米合金

圖1 NiCo合金中由納米晶粒和多尺度成分起伏構成的納米復合結構

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圖2 具有多尺度成分起伏的納米晶NiCo合金實現了強度和塑性的協同提升

《Nature》:一種新機制!設計出2.3GPa超高強塑性納米合金

圖3 NiCo合金納米晶粒內部的位錯塞積

《Nature》:一種新機制!設計出2.3GPa超高強塑性納米合金

圖4 位錯與成分起伏的相互作用

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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