香港理工大學《Nature Commun》：新型超高強和高塑性共格納米片層高熵合金，克服金屬材料的強塑性矛盾

研究背景

金屬的強塑性匹配矛盾是困擾材料學界的挑戰性問題，影響了超高強度金屬材料在航空航天，運輸，能源等支柱型工程產業的廣泛應用。具有高界面密度的納米片層金屬材料被認為是一種潛在的能夠獲得優異性能匹配的設計方法，然而，現有的納米及片層金屬材料盡管擁有著超高的強度，但是其塑性較差（延伸率低于5%），嚴重制約了其在工程領域的實際應用。

成果簡介

近日，香港理工大學焦增寶博士團隊、香港城市大學劉錦川院士團隊及中科院金屬所的研究人員，提出共格納米片層合金的設計理念，成功的開發出了具有超高強度（屈服高于2GPa）高塑性（均勻延伸率16%）的新型合金，成功解決了金屬材料的強塑性矛盾。新型納米片層合金的超高強度來源于其高密度的FCC/L1₂界面，其高塑性是由多種因素共同作用：一，FCC片層具有較低的層錯能，共格FCC/L1₂界面促進了大量層錯均勻的貫穿納米片層，不會聚集在界面處引起應力集中；二，不同滑移面層錯前沿的不全位錯發生位錯反應，產生大量的不可動Lomer-Cottrell (LC) 位錯鎖，提高材料的加工硬化能力；三，多組元L1₂片層具有比傳統簡單組元L1₂更高的強度和塑性。香港理工大學為論文第一單位，通訊作者為香港理工大學焦增寶博士和香港城市大學劉錦川院士，第一作者為香港理工大學博士生范磊，相關論文以“Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures”發表在Nature Communications上。

圖文導讀

圖1 共格納米片層合金的拉伸應力應變曲線（紅色）。黑色和藍色曲線分別代表傳統工藝加工制備和劇烈塑性變形制備的對比合金的拉伸曲線。

圖2 共格納米片層高熵合金的微觀組織：（a和b）FCC/ L1₂納米片層組織的透射電鏡明場像及暗場像;（c）FCC和L1₂納米片層的厚度分布;（d）FCC/ L1₂納米片層共格界面處的高分辨圖片;（e）FCC/ L1₂納米片層的元素分配及相成分組成的三維原子探針表征。

圖3?FCC/L1₂共格納米片層高熵合金的塑性變形機制：（a）2%應變下的變形組織由少量的平行排列的層錯組成;（b）5%應變下產生了大量的層錯;（c）16%應變下形成的高密度層錯;（d）層錯網絡及LC位錯鎖。FFT中衍射條紋確認了相互交錯層錯的存在，局部放大的典型層錯的高分辨圖片顯示了BCABABCA的原子堆垛次序。

圖4?FCC/L1₂共格納米片層高熵合金與現有材料的拉伸力學性能對比。圖中的對比材料包括片層結構合金、片層復合材料以及納米晶金屬。納米片層合金獲得了超高強度和高塑性，克服了金屬材料中的強塑性矛盾。

論文鏈接

Lei Fan, Tao Yang, Yilu Zhao, Junhua Luan, Gang Zhou, Hao Wang, Zengbao Jiao*, Chain-Tsuan Liu*, Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures, Nature Communications, 2020.

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20109-z。

結論展望

綜上所訴，該研究提出了一種設計具有優異力學性能金屬材料的新方法：共格納米片層合金。基于開發的FCC/ L1₂共格納米片層高熵合金在室溫具有超過2GPa的屈服強度和16%的均勻延伸率，顯著優于傳統的片層材料和納米結構材料。該材料優異的綜合性能使其具有廣泛應用于航空航天，能源，運輸等支柱型產業的潛力，而且該設計方法有望應用于包括高溫合金，鈦合金及超強鋼在內的其他金屬材料。

通訊作者簡介

焦增寶博士，香港理工大學機械工程學系助理教授。2010年于北京科技大學呂昭平教授研究組獲碩士學位，2014年于香港城市大學C.T. Liu院士研究組獲博士學位，2016年于麻省理工學院Christopher A. Schuh院士研究組從事納米金屬材料研究，2017年加入香港理工大學。研究興趣主要集中在超高強度鋼、高溫合金、高熵合金和納米晶的合金設計和組織性能調控，以及納米結構材料的三維原子探針（APT）表征。發表在Science、Nature Communications、Materials Today、Acta Materialia等期刊論文五十余篇，擔任Acta Materialia、Scripta Materialia、Intermetallics等期刊審稿人，課題組網址：www.zbjiao.hk。

劉錦川院士，香港城市大學材料科學與工程系大學杰出教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，臺灣中央研究院院士。于美國布朗大學獲得博士學位，1967年進入美國橡樹嶺國家實驗室，先后擔任研究員暨高級研究員、合金行為與設計部門主任、資深研究院士，1988年獲得美國總統獎之一勞倫斯獎，1998年獲得布朗大學杰出校友金質獎章，2004年當選為美國國家工程院院士，2005年當選中國工程院外籍院士，2006年獲得中國政府友誼獎。主要從事先進金屬材料的研究工作。

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