Materials today, Nano letters等著名期刊刊載金屬材料在相變、性能和非對稱固溶偏析的重要進展

相變和力學性能是金屬材料最基礎也是最重要的研究，通過對相變機理的研究，可以實現對材料組織的調控優化，而組織的優化則直接決定材料的力學性能。因此，關于相變與性能的研究一直是各國關于金屬材料的研究重點。最近在一些具有重要影響力的期刊上，發表了幾篇關于層錯驅動相變，傾斜晶界上非對稱固溶偏析以及通過一些新工藝成功突破金屬材料強塑性相互制約的工作，讓科技工作者耳目一新，使得人們對這一領域有了更深地了解。筆者今天就對這幾篇論文進行深入解讀，希冀能引起大家共勉。

1.所發表論文

1）局部成分波動在高熵合金中引起的強塑性增加

在高熵合金中，局部化學成分波動是高熵合金常見的特征，影響位錯的增殖和運動。通過調節局部化學成分，合金的強塑性可以同時提高，主要原因是其導致的位錯的運動行為以及加工硬化。但是直接的原位觀察至今為止，還是非常缺乏。本文選擇24.0Hf-27.2Nb-23.9Ti-24.8Zr合金，通過原位透射，三維原子探針和EBSD試驗研究了在拉伸過程中局部化學成分誘導的位錯增殖和運動行為。

傳統觀點認為，如果位錯活動是被阻礙，其能量將通過脆性裂紋擴展而得到是否。因此，位錯的釘扎通常以犧牲塑性為代價來增加強度。本文則發現了兩種不同的機制，HfNbTiZr高熵合金的位錯釘扎不僅使得強度提高，還增加了合金塑性。如圖1所示，在本高熵合金中，位錯的釘扎可以使位錯密度增加，從而提高了合金的位錯貯存能力，有利于合金塑性的提高。通過高分辨HAADF-STEM圖像，該文作者觀察到重金屬元素富集會導致合金了在塑性變形過程中位錯的這種釘扎特點。另外，局部化學元素波動在該合金中還會導致位錯發生廣泛的交滑移，導致位錯的增殖，進一步同時提高了強塑性。

圖1?釘扎誘導的位錯增殖；(a和b)位錯2被障礙物固定，并留下標記為L1和L2的小位錯環；(c)L1和L2擴展；(d) L3與位錯2在同一滑移平面上形成并擴展^[1].?

2）CrCoNi中熵合金中層錯驅動的相變

FCC→HCP是一類重要的相變，已被很多研究者報道過，但其機理非常微妙，遠未揭示清楚。之前的研究已在壓縮和沖擊變形放入中熵合金中發現了FCC→HCP的相變。但在拉伸載荷的情況下是否會發生FCC→HCP的相變，還沒有被研究過，在本文中，結合原位中子衍射，仔細研究了CrCoNi中熵合金在拉伸應變條件下發生的FCC→HCP的相變和變形機理。研究表明，在拉伸載荷的作用下，溫度為15K時，CrCoNi中熵合金內部會發生FCC→HCP的相變，這種相變是由層錯觸發的，相變過程中并沒有中間相出現。其相變機理如圖2所示，在FCC金屬中，變形不僅通過全位錯滑移進行，還可以通過1/6<11-2>的不全位錯進行，原始FCC材料的堆垛順序為CABCABCABC，如圖2（a）所示。一旦不全位錯在（111）面上啟動，原子將會發生小于一個原子距離的移動，將堆垛順序變為CABCACABCA，如圖2（b）所示。在此基礎上，當不全位錯繼續滑動時，則會導致CABCACBCAB的堆垛順序，在第三層原子面的滑動，將會導致納米孿晶的形成。可以看到，在不全位錯進行第二次滑動的時候，會形成HCP的堆垛順序，也即發生了FCC→HCP的相變。

圖2圖解說明了層錯、納米孿晶和hcp相的形成。(a)通過在鄰近(111)平面上引入1/6<11-2>的不全位錯，從fcc結構形成固有層錯(ISF)、外部層錯(ESF)和納米孿晶。(b) 通過在每一個其他平面上滑動的不全位錯形成hcp堆垛，或通過兩個連續的ISF形成hcp相^[2].

3）周期性錯配位錯分離傾斜晶界中的溶質非對稱偏析

多晶材料都由晶界分隔的晶粒組成，晶界的體積分數雖然較少，但在決定材料性能方面則起著重要作用。一般來說，在含有一種以上元素的材料中，在界面能降低的驅動下，合金元素的偏析或雜質會顯著改變材料的性能，如凝聚力、遷移率和熱穩定性。除了大角度晶界，孿晶界等界面外，多晶材料中還存在傾斜晶界，傾斜晶界又可以分為對稱傾斜晶界和非對稱傾斜晶界。非對稱晶界包含由一系列位錯，其中位錯的原子間距由傾斜的角度決定。這些位錯在固溶體中是擾動區，當擴散激活時吸引溶質偏析。與特殊的高對稱界面相比，多晶塊體材料中非對稱晶界偏析的原子尺度機制仍然難以捉摸。本文在變形退火后的Mg - Nd - Mn合金中直接觀察到四種由溶質裝飾的有序界面超結構。?非對稱晶界中有序界面上層結構的發現超越了經典的界面隨機偏析，為界面結構的復雜性和分離到晶界的溶質的原子排列提供了聯系。研究表明，彈性應變最小化有利于溶質在四種類型的非對稱傾斜晶界中的非對稱偏析，從而產生有序的界面上部結構。像差校正的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡觀察表明，溶質選擇性地在線性取代位點偏析由周期性錯配位錯分離的基板形成這種二維平面結構。這些發現完全不同于經典的假設單層或亞單層覆蓋晶界的mcclean型偏析，刷新了對應變驅動界面偏析行為的認識^[3]。

4）根據微觀結構的宏觀設計打破材料的性能相互掣肘

現代工業的發展要求材料至少要滿足兩方面性質的同時滿足，但是很多材料的性質都是相互掣肘的。例如金屬材料的強塑性，強度與導電性，導熱與熱穩定性等。歸根結底，影響材料性質的根源還在于優化其顯微組織。在本文中，作者在室溫，大應力和高應變速率的條件旋鍛退火態銅，得到的沿著鍛造軸方向拉長的顯微組織。研究發現這種組織能夠提高同時材料的強度以及導電性。通常，材料強度的提高需要引入高密度位錯以及晶界，這些缺陷不可避免的導致電子的散射，從而降低導電性。旋轉鍛壓同時引入了銅絲軸線上的超長晶粒和晶粒內部的高密度位錯。雖然超長晶粒通過降低大角度GBs的比例來提高沿軸電導率，但電子通道上的高密度位錯仍然使電導率降低到97%左右。再結晶前的退火清除了電子通道上的大部分位錯，并將電導率提高到100%以上。最后，亞微米間距的低角度GBs通過有效地阻止徑向位錯滑移，提高了屈服強度。

圖3 文獻綜述了不同劇烈塑性變形和粉末燒結法制備純銅的屈服強度與導電性/熱穩定性的關系，(a)屈服強度與電導率。(b)晶粒尺寸與退火溫度的關系。ED,電沉積; SPS，放電等離子燒結;ECAP/R/E，等通道角壓/滾壓/擠壓; DCT，深冷處理; DPD，動態塑性變形;CR,冷軋;SMGT，表面機械磨削處理;LSEM，大應變擠壓加工。(c)銅在鍛造和退火過程中的微觀組織演變及其對力學和導電性能的影響示意圖。(d)傳統的性能權衡優化和本文根據服務方向的微觀結構宏觀設計概念的示意圖表示^[4]。

5）低成本奧氏體鋼的超高低溫韌性

金屬和合金的沖擊韌性隨著溫度的降低而降低，這嚴重限制了其應用。傳統采用的固溶和復雜的熱處理方法有著非常高的成本。因此，開發出在低溫下韌性保持不變甚至增加的廉價、工業上實用的合金仍然是材料科學的一個夢想。在本文中，以成本低廉，工藝和成分簡單的Fe-30Mn-0.11C鋼為對象，研究了其在液氮溫度的低溫韌性。首先，在選擇粗晶和細晶Fe-30Mn-0.11C鋼分別在室溫壞人液氮溫度進行了拉伸和沖擊韌性測試。研究表明，細晶鋼的屈服強度和塑性都要優于粗晶鋼，隨著溫度的降低，合金的強塑性同時提高，這主要得益于合金在低溫變形時產生的大量的變形孿晶，導致明顯的TWIP效應，增加了加工硬化階段。對沖擊韌性的研究表明，粗晶鋼的沖擊韌性隨著溫度降低而減小，而細晶鋼的正好相反，本工作中在液氮溫度獲得的沖擊韌性為450J，開創了一個新的記錄。研究表明，高韌性歸因于錳和含碳奧氏體穩定元素，加上減少晶粒尺寸到近微米尺度。在這種條件下，主要的變形機制是位錯滑移和變形孿晶，而α ' -和ε-馬氏體轉變引起脆化受到抑制。從而降低了局部應力和應變集中，延緩裂紋成核和延長加工硬化。這種合金成本低，可以通過常規生產工藝進行加工，因此適用于工業中的低溫應用。

圖4?與各種低溫金屬韌性的比較。液氮溫度不同錳鋼沖擊韌性的比較，水平藍線為添加9%鎳GB 24510-2009標準中厚度≤30mm的板材，b 液氮溫度下沖擊能與RT屈服強度的函數關系^[5].

2. 總結

不難可以看出，以上發表的論文非常注重創新性，有些內容則直接打破了材料科學的傳統范疇。在金屬領域，研究內容最為復雜的則是相變以及缺陷，它們直接關系著材料組織和性能的調控。通過對相變和晶界進行原子級別的分析，不僅可以幫助我們認識到他們的機理和特性，還可以間接促成提高性能調控的方法。當然在工程領域，人們最為關心的是材料性能的提高，材料性能的提高與晶界特征密切相關。因此以上的研究，在筆者看來，具有重大的科學和工程價值。

參考文獻：

[1] Yeqiang Bu, Yuan Wu, Zhifeng Lei et?al. Local chemical fluctuation mediated ductility in body-centered-cubic high-entropy alloys. Materials Today.2021

[2] Haiyan He, Muhammad Naeem, Fan Zhang et?al. Stacking Fault Driven Phase Transformation in CrCoNi?Medium Entropy Alloy. Nano Lett. 2021, 21, 1419?1426

[3] Hongbo Xie, Qiuyan Huang, Junyuan Bai et?al. Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries. Nano Lett. 2021, 21, 2870?2875.

[4] Qingzhong Mao, Yusheng Zhang, Jizi Liu et?al. Breaking Material Property Trade-offs via Macrodesign of Microstructure. Nano Lett. 2021, 21, 3191?3197

[5] Yuhui Wang, Yubin Zhang, Andrew Godfrey et?al. Cryogenic toughness in a low-cost austenitic steel. Communications Materials. (2021) 2:44

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