四校合作Nature：兼具強度和延展性金屬設計

材料人編輯小單 1年前 (2022-04-19) 1704瀏覽

【導讀】

研究表明，具有納米晶粒（NC）的金屬具有接近2GPa的超高強度。然而，這種極端的晶界（GB）強化導致金屬喪失了所有的拉伸延展性，即使在具有延展性最強的面心立方結構中也是如此。這種晶界硬化伴隨著拉伸延展性的降低，使得NC金屬幾乎無法使用。微小的NC晶粒缺乏應變硬化和應變速率硬化的能力，而這對于維持離域的塑性應變是必不可少的。由于內部背應力，應力-應變曲線在屈服開始后僅短暫增加。這種名義上的“應變硬化”在塑性應變內迅速耗盡。對于在塑性中連續加入的NC晶粒內部的固有硬化，產生的位錯從一個GB快速到其他GB中，幾乎沒有機會保留在內。這種位錯存儲的缺乏使金屬失去了其最有效的應變硬化機制。因此，有必要設計一種強化機制，使額外的應變硬化，避免產生塑性變形和不穩定。

【成果掠影】

鑒于此，吉林大學韓雙副教授，澳大利亞悉尼大學廖曉舟教授，西安交通大學丁向東教授和馬恩教授，南京理工大學沙剛教授（共同通訊作者）證明了納米晶NiCo固溶體雖然仍然是面心立方單相，但顯示出約2.3GPa的拉伸強度和約16%的拉伸斷裂應變，具有可觀的延展性。究其原因，通過高濃度固溶體中的成分波動，實現了這種不尋常的抗拉強度和延展性。

具體來講，本文基于自下而上的脈沖電化學沉積工藝，成分起伏使層錯能和晶格應變在1到10?nm范圍內的長度尺度上發生空間變化，從而明顯影響位錯的運動。盡管納米晶粒內部的空間非常有限，但位錯的運動變得緩慢，促進了它們的相互作用、互鎖和積累。結果表明，流動應力增加，同時促進了位錯儲存，增加了應變硬化，從而增加了延展性。同時，沿位錯線的鏈段脫陷需要較小的活化體積，因此應變速率敏感性增加，這也穩定了拉伸流動。

相關研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”為題發表在Nature上。

【核心創新點】

1.通過調控高濃度固溶體中的成分，實現了不尋常的抗拉強度和延展性；

2.晶格中的成分波動引入了一種創新但普遍適用的路線，該路線能夠同時施加額外的應變硬化，以延長超高流動應力下的拉伸延展性。

【數據概覽】

圖一、電沉積NC?NiCo合金納米級組成的不均勻性???2022 Springer Nature

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（a，b）三維重構TKD定向圖像和相應的相位圖像；

（c）多個TKD圖像的粒度分布；

（d）從APT測量中得到的三維重構圖，說明了整個樣品中Ni濃度的變化；

（e，f）二維平面內濃度調制和相應的原子分布圖；

（g）成分不均勻性的三維網絡；

（h）58%Ni和48%Co等濃度表面的直方圖；

圖二、NC?NiCo合金在室溫下出色的強度-延展性???2022 Springer Nature

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（a）NC NiCo合金代表性的拉伸-應力曲線；

（b）屈服強度與極限抗拉強度（σUTS）和失效應變（εe）的關系；

（c）應變硬化率與真實應變的關系；

（d）NC NiCo合金的應力-應變曲線及位錯密度與應變的關系。

圖三、在拉伸試驗后觀察的在NiCo中儲存的位錯 ??2022 Springer Nature

（a）在{111}面上部分位錯的HRTEM圖像；

（b）具有代表性的HRTEM圖像；

（c）一個60°全位錯解離成一個90°部分位錯和一個30°部分位錯的原子結構的STEM-HAADF圖像；

（d）反變換快速傅里葉的圖像；

（e）由兩個部分位錯的反應形成的HRTEM圖像；

（f）由SF1、SF2、SF3三個堆疊斷層以及4個位錯組成的HRTEM圖像。

圖四、NiCo合金組成不均勻性的原子模擬及其對位錯動力學的影響 ??2022 Springer Nature

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（a，b）Ni50Co50溶液和成分波動的Ni50Co50溶液中的成分等高線圖；

（c）SFE（圓）、USFE（正方形）及其差值（三角形）對均勻NiCo固溶體中Co濃度的依賴關系；

（d）在恒定的約120MPa剪切應力下，<110>/2邊緣位錯的滑移距離隨時間的變化；

（e）成分變化對位錯遷移率的影響。

【成果啟示】

綜上所述，本文除了在的NC晶粒強化之外，還利用了固溶體中的高濃度及其多尺度空間起伏以及局部SFE的廣泛變化，有目的地在長度尺度上進行調制，從而有效地影響位錯運動。結果表明，這對位錯傳播施加了阻力，同時提高了位錯互鎖和積累的機會，這對于應變硬化特別有用（即使初始屈服強度沒有大幅提高）。從長遠來看，晶格中的成分波動引入了一種創新但普遍適用的路線，該路線能夠同時施加額外的應變硬化和應變率硬化，以延長超高流動應力下的拉伸延展性。因此，本文的工作擴展了冶金設計的策略，并提供了探索強度-延展性領域未知領域的機會。

文獻鏈接：“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-04459-w）

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