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高强度和高延展性是结构材料所期望的特性。然而，超强合金不可避免地表现出应变硬化能力降低，限制了其均匀延伸率。在此，西安交通大学吴戈教授，刘畅教授，刘思达教授和香港城市大学吕坚院士等人提出了一种超纳米（<10纳米）和短程有序的设计，分别针对基于钒、钴和镍的细晶合金的晶粒内部和晶界区域，并添加了钨、铜、铝和硼。通过在晶界附近短程有序的偏析，实现了显著的晶界相关强化和延性化机制。此外，超纳米有序结构具有更大的尺寸，对位错和堆垛层错具有增强的钉扎效应，这些位错和堆垛层错在塑性变形过程中在晶粒内部倍增并累积。这些机制促进了流动应力的持续增加，直到合金在10%应变下断裂，断裂时的拉伸应力为2.6GPa。相关文章以“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”为题发表在Science上！![]()
晶粒细化是一种在工业中广泛应用的实用方法，用于同时提高粗晶和细晶合金的强度和延展性。细晶合金的屈服强度通常低于1 GPa。尽管将晶粒细化到纳米尺度可以显著提高强度，但延展性会因此降低。一种梯度结构（表面为纳米晶粒，样品内部为粗晶粒）和异质结构（具有不同晶粒尺寸）是同时提高强度和延展性的成功合金设计策略。由于纳米晶粒区域的晶界（GB）强化作用，强度得到了提升。在塑性变形过程中，粗晶粒中的位错增殖以及纳米晶粒与粗晶粒区域过渡区附近几何必要位错的产生，促进了高应变硬化率，从而增强了延展性。晶粒内部的纳米结构化是另一种重要方法。成功的策略包括引入共格纳米析出相、短程有序（SRO）、化学不均匀性以及纳米孪晶等。这些纳米结构与位错之间的原子相互作用促进了晶粒内部位错的增殖，从而提高了应变硬化率。这些合金的抗拉强度可以提高到1至约2 GPa。为了进一步将合金强化到超高强度水平（例如，抗拉强度>2.5 GPa），需要引入各种强化机制。然而，由此导致的降低的应变硬化率通常会引发不稳定的缩颈或Lüders带的形成。这种局部变形会显著缩短均匀延伸率（例如，2.5 GPa合金的均匀延伸率<5%）。与上述关注不同晶粒尺寸分布或晶粒内部纳米结构化的合金设计策略不同，本文在这里采用短程有序（SRO）装饰面心立方（FCC）相的晶界区域（短程有序界面），这得益于SRO与FCC基体之间正的界面相互作用能。短程有序界面可以被归类为一种晶界复合体，显著增加了阻碍位错运动的应力障碍——即更高的屈服强度。因此，在塑性变形过程中，与晶粒内部相比，更多位错会在晶界区域堆积。位错的活动（滑移和堆积）破坏了SRO的有序结构，转变为无序固溶体——即从有序到无序的转变。这种行为削弱了晶界区域的应力集中，从而阻碍了FCC相晶界的开裂。此外，在FCC相的晶粒内部引入了<10 nm（超纳米）的有序结构（析出相）。超纳米是一个长度单位，小于10 nm，比SRO的尺寸（<1 nm）大得多。因此，超纳米有序结构对位错和堆垛层错（SFs）具有更强的钉扎效应。这种有序结构使位错和SFs的运动变慢，增加了它们与其他可动位错相互作用和纠缠的可能性。这种行为促进了这些缺陷在加载时的增殖和累积。超纳米有序结构在晶粒内部均匀分布，因此生成的缺陷分布也是均匀的，从而减轻了应力局部化。这两种有序结构在FCC相的晶界区域附近和晶粒内部分别具有相互补充的强化和延性化机制，促进了高应变硬化率和大延伸率。在变形过程中，接收到的超高流动应力将部分体心立方（BCC）相（7.7%的比例）转变为FCC结构。![]()
图1：SS合金的结构（在面心立方相中同时含有SRO和S-L12颗粒）。![]()
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图3：SS合金中面心立方相在张力作用下的结构演化。![]()
总的来说，本文提出了一种通过短程有序界面和超纳米沉淀来增韧2.6 GPa合金的策略。超纳米沉淀是L12型颗粒，直径为0.5至~4纳米，与面心立方（FCC）固溶体基体共格。与短程有序结构（SRO）相比，它们在塑性变形期间对位错和堆垛层错（SFs）具有更强的钉扎效应，触发了FCC相晶粒内部位错的增殖和累积，从而提高了应变硬化率。SRO与FCC基体之间具有正的界面相互作用能，促进了其在FCC相晶界区域的偏析。这种配置有助于提高屈服强度。SRO对位错的钉扎效应较弱，有利于位错在FCC相晶界区域的运动，从而诱导SRO从有序到无序的转变。这种行为，连同较弱的位错堆积配置，缓解了FCC相晶界区域在塑性变形期间的应力集中。因此，应变变化均匀分布在FCC相的晶界区域和晶粒内部。此外，由于在塑性变形期间的超高应力水平，体心立方（BCC）到FCC的相变发生在FCC-BCC相界处。相界附近的异质变形模式也可以诱导应变硬化，而位移相变则缓解了相界处的应力集中，进一步增韧合金。超纳米有序结构和界面装饰的SRO相结合的沉淀结构为增韧超强合金提供了一种策略，实现了在断裂前具有连续应变硬化的大幅均匀延伸，特别是对于抗拉强度超过2.5 GPa的合金。Yong-Qiang Yan†, Wen-Hao Cha†, Sida Liu*, Yan Ma, Jun-Hua Luan, Ziyuan Rao, Chang Liu*, Zhi-Wei Shan, Jian Lu*, Ge Wu*, Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4917更多相关信息，可+群，邀您进学术圈
编辑| Andy 来源｜Science；微算云平台
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