我国学者与海外合作者在超高强塑性纳米合金研究方面取得进展

　　

图  Ni50Co50合金中由纳米尺度晶粒（a、b、c）和晶内多尺度成分起伏（d、e、f）构成的复合纳米结构。成分起伏呈三维网络分布（g），且不同成分的区域之间由“成分边界”分隔开来（h）。（i）Ni50Co50合金的拉伸工程应力应变曲线。图中还给出了纳米晶Ni、纳米晶Co和多层纳米结构NiCo合金在相同应变速率下的拉伸曲线作为参考和对比。（j）纳米晶金属材料屈服强度-强塑积关系图, 表明具有多尺度成分起伏的纳米晶NiCo合金实现了强度和塑性的协同提升。在不同应变速率下测得的不同批次的纳米晶Ni50Co50合金的性能用红色五角星表示

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51931004、51601067、52171011、51571120、51604156、91963112）等的资助下，西安交通大学丁向东教授、马恩教授，吉林大学韩双副教授，南京理工大学沙刚教授与澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授等合作，在超高强塑性纳米合金研究方面取得进展。相关研究成果以“基于成分起伏的强塑性协同提升（Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation）”为题，于2022年4月13日在《自然》（Nature）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w。

　　当金属材料内部的晶粒尺寸减小至纳米尺度，材料的强度将依Hall-Petch关系大幅度提高。但当纳米晶金属塑性变形时，位错变得极难在如此小的晶粒内部保留下来，导致材料丧失应变硬化能力，很容易发生塑性变形的局域化而导致材料失稳。强度与塑性之间的倒置关系成为了制约以纳米结构增强的高性能金属材料发展的瓶颈问题。

　　针对这一关键科学问题，研究团队对超高强纳米金属的应变硬化提出了一种新的机制，并依此路径设计了新颖的高性能合金。以NiCo合金作为模型材料，利用脉冲电沉积工艺，在面心立方单相浓固溶体合金中构筑出了由纳米晶粒（晶粒尺寸26 nm）及其内部多尺度成分起伏（1~10 nm）组成的复合纳米结构（图a—h）。制备中有意加剧的成分起伏促成了层错能和晶格应变场的明显起伏，其发生的空间尺度恰好能有效地与位错交互作用，从而改变了位错动力学行为，使位错运动呈现出迟滞、间歇、缠结的特征。这一方面促使位错在纳米晶粒内部有效增殖存储，提高了材料的应变硬化能力；另一方面，提高了位错运动的应变速率敏感性，提升了应变速率硬化能力。在应变硬化与应变速率硬化的共同作用下，该纳米合金在超高流变应力水平上展现出独特的强度与塑性的优化配置，达到了单相面心立方金属（包括传统的溶剂-溶质固溶体）前所未有的新高度（图i—j）：材料的屈服强度达到1.6 GPa，最高拉伸强度接近2.3 GPa，拉伸断裂应变可达16%。要实现这样的强塑性，过去要靠超高强钢，但后者均为复杂多相、且易发生吕德斯带形变和韧脆转变。

　　本研究中展示的是一种基于纳米尺度（1~10 nm）明显成分起伏与运动位错间相互作用的强化机制，不同于基于原子半径差的传统固溶强化—即单个溶质原子与位错应力场间的相互作用。通过选择合适的合金体系或制备工艺，这一结构-成分复合调控理念可望为新型合金材料的设计与开发开辟新的思路。