超高强度和优异的拉伸塑性是结构材料发展的不懈追求。然而，合金的抗拉强度提升至超高水平后（如>2.5 GPa），通常难以维持良好的应变硬化能力。因此，此类超强合金的均匀延伸率往往难以突破5%应变。
近日，西安交大金属材料强度国家重点实验室、微纳尺度材料行为研究中心（CAMP-Nano）吴戈教授-单智伟教授团队联合香港城市大学先进结构材料研究中心吕坚教授、西安交大刘畅教授、西安交大刘思达教授，设计了一种创新纳米结构，即短程有序界面与超纳析出相的结合，来克服此难题。其中，超纳（Supra-nano）概念为吴戈教授与吕坚教授在Nature 545, 80 (2017)中提出，意为结构特征尺寸小于10 nm。通过在材料中引入超纳结构单元，整体材料会展现出一些奇异性能。如，在多晶材料中，通过将晶界结构扩展为超纳非晶相，可克服晶界的软化效应，使材料的强度提升至近理论值（吴戈、吕坚等，Nature 545, 80 (2017)；Nat. Commun. 10, 5099 (2019)）。在非晶材料中，通过两种超纳非晶畴的复合结构设计，可使整体非晶合金具备均匀塑性流变行为，克服非晶合金的脆性问题（吴戈等，Nat. Commun. 14, 3670 (2023)）。本研究中，超纳析出相（S-L12）大幅提高了FCC-BCC双相合金的应变硬化能力。
2025年1月25日，相关研究以“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”为题发现在Science上。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文第一作者单位和第一通讯单位。吴戈教授（西安交大）为论文第一通讯作者，闫永强博士生（西安交大）为论文第一作者，察文豪科研助理（西安交大）为论文共同一作。吕坚教授（香港城大）、刘畅教授（西安交大）及刘思达教授（西安交大）为论文共同通讯作者。作者包括：单智伟教授（西安交大），马焱助理教授（荷兰代尔夫特理工大学），栾军华博士（香港城大），饶梓元副教授（上海交大）。
本研究巧妙地利用短程序（SRO）与FCC基体的正界面作用能，调控短程序在晶界附近偏聚，形成短程有序界面。此短程有序界面设计策略不同于以往报道的在晶粒内部析出SRO的设计方法，其强韧化机理有本质区别。晶粒内的SRO对位错运动的阻碍效应较弱，合金屈服强度提升不明显。
本研究中，SRO在晶界附近的偏聚显著提升了晶界抵抗位错运动所需的应力水平，屈服强度提升至2.2 GPa。塑性变形过程中，位错的运动促使晶界附近的SRO发生向无序固溶体的转变，降低了晶界附近的应力集中，避免界面开裂。此种短程有序界面设计策略实现了与晶界相关的显著强化和塑化机制。另一方面，相比于<1 nm尺寸的SRO，在FCC晶粒内部析出尺寸较大（0.5~4 nm）的超纳析出相（S-L12），对位错和层错有更强的钉扎效应，使塑性变形过程中位错在晶粒内部持续增殖和累积，提高了合金的应变硬化能力。分别在FCC相的晶界附近和晶粒内部引入的两种有序结构（SRO和超纳析出相），具有互补的强化和塑化机制，促进了高应变硬化率和优异延伸率。此外，由于塑性变形过程中的超高应力水平，在FCC-BCC相界面发生BCC到FCC的相变。相界面附近的异构变形带来背应力硬化效应，加强应变硬化，而变形过程中的动态相变会缓解相界面处的应力集中，使合金的均匀拉伸变形得到维持。
该研究通过晶粒内部以及晶界附近的两种有序结构设计，成功实现了具有2.6 GPa抗拉强度和10%均匀延伸率的合金，为打造出兼具超高强度与卓越均匀延伸率的合金开辟了新道路。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4917
