通过短程有序界面和超纳米沉淀物实现 2.6-GPa 合金的延展化！
结构材料需要更高的强度和更高的延展性。然而，超强合金不可避免地表现出应变硬化能力下降，限制了其均匀伸长率。
鉴于此，西安交通大学吴戈教授、香港城市大学吕坚院士，西安交通大学刘畅教授以及刘思达教授分别针对基于钒、钴和镍并添加了钨、铜、铝和硼的细晶合金中的晶粒内部和晶界区域提出了超纳米（<10纳米）和短程有序设计。明显的晶界相关强化和延展机制是通过晶界附近短程有序的偏析来实现的。此外，较大尺寸的超纳米有序化对位错和堆垛层错的钉扎效应增强，这些位错和堆垛层错在塑性变形过程中在晶粒内部倍增和积累。这些机制促使流动应力不断增加，直到合金在10%应变和2.6吉帕拉应力下断裂。相关研究成果以题为“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”发表在最新一期《Science》上。
【微观结构和成分】
研究人员开发了一种合金系统，通过整合短程有序(SRO)界面和超纳米沉淀物(S-L12颗粒)，其抗拉强度为2.6 GPa，延展性增强。该合金以钒、钴和镍为基础，添加钨、铜、铝和硼，采用双相结构，具有面心立方(FCC)和有序体心立方(BCC，特别是L21)相（图1A-B）。FCC和BCC相的平均晶粒尺寸均为~1μm。这种细化缩短了位错平均自由程，放大了晶粒边界(GB)处与SRO的相互作用（图1C-D）。FCC相占主导地位：FCC相占结构的78.7%，平衡了强度和延展性。SRO和S-L12粒子：SRO结构集中在晶界附近，而S-L12粒子（~0.5-4 nm）分散在FCC晶粒内部。两种结构都通过位错相互作用增强了机械性能。FCC相中SRO和S-L12的体积分数分别为22%和30%（图1F-K）。分子动力学模拟显示SRO和FCC基质之间存在正界面相互作用能，从而推动SRO向晶界偏析。相反，S-L12粒子的负相互作用能促进它们在晶粒内部沉淀（图1E）。总的来说，双相设计，辅以纳米级排序，实现了强化和延展性的协同作用。
图 1. SS合金的结构（在FCC相中同时含有SRO和S-L12颗粒）
【总结】
本文提出了一种通过短程有序界面和超纳米沉淀物实现2.6 GPa合金延展性的策略。超纳米沉淀物是直径为0.5至~4nm的L12粒子，与FCC固溶体基质相干。与SRO相比，它们在塑性变形过程中对位错和SF具有更强的钉扎作用，从而引发位错在FCC相晶粒内部的增殖和积累，从而提高应变硬化率。SRO与FCC基质具有正的界面相互作用能，促进它们在FCC相的GB区域附近偏析。这种配置有助于提高屈服强度。位错的钉扎作用不太明显，有利于位错在FCC相的GB区域附近运动，从而诱导SRO的有序到无序转变。这种行为，加上较弱的位错堆积配置，在塑性变形过程中缓解了FCC相GB处的应变集中。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，由于塑性变形过程中的超高应力水平，BCC到FCC的相变发生在FCC-BCC相边界上。相边界附近的异质变形模式也可以诱导应变硬化，而位移相变可以缓解相边界处的应力集中，从而进一步延展合金。超纳米有序沉淀结构和SRO界面修饰相结合提供了一种延展超强合金的策略，可实现大的均匀伸长率和持续的应变硬化直至断裂，尤其是对于拉伸强度超过2.5GPa的合金。
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