2024 Science|給合金打上“麻花結”

一、【科學背景】

金屬材料的強度與韌性之間的平衡是至關重要的，特別是在極端環境下，尤其是在高溫環境中表現尤為突出。在過去的半個世紀里，隨著全球對減少碳排放的迫切需求以及提高燃油效率的不斷追求，推動了新型材料的發展，這些材料旨在超越傳統高溫合金的高溫性能，如含硅耐火材料和TiAl等。這些新型材料的研發和應用，對于提升工業制造、航空航天等領域的高溫性能具有重要的推動作用。

材料經過精心設計，旨在承受高溫環境下的高強度要求。然而，實現這些材料在高溫條件下同時具備損傷容限卻是一項頗具挑戰性的任務。特別值得注意的是，在低溫環境中，這些材料的性能會受到影響。具體來說，當溫度低于材料的韌脆轉變溫度時，它們的性能會顯著下降。因此，幾乎所有這些材料都不適合用于對安全性要求極高的應用場景。

二、【科學貢獻】

美國加利福尼亞大學伯克利分校Robert O. Ritchie團隊測試了單相bcc耐火合金NbTaTiHf從77到1473開爾文溫度時的強度和斷裂韌性。該合金的斷裂韌性超過253MPa·M^1/2，與同類合金的斷裂韌性不同，作者將其歸因于螺/邊緣位錯在控制裂紋尖端塑性方面的動態競爭。螺旋位錯和混合位錯的滑動和相交形成了類似麻花的扭帶結。這種“麻花結”重新定向晶體的微尺度帶，從而抑制了應變硬化。此外，扭折帶的連續成核可以適應局部應變，使損傷分布遠離裂紋尖端，提升了合金的強度和韌性。

圖1 Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅的初始顯微組織

圖2?Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅的力學性能

圖3?77~1473 K Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅的變形機制及斷口形貌

圖4?Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅?RHEA與其他結構材料進行比較

三、【創新點】

作者解釋了HfNbTaTiZr合金超高斷裂韌性的形成機理，提出了扭結帶韌性增強機制。合金中的扭結帶由<111>位錯與{110}和{112}滑動面的協調滑移通過形成，這種扭折帶重新定向晶體的微尺度帶，從而抑制了應變硬化，并使損傷分布遠離裂紋尖端，提升了合金的強度和韌性。

四、【科學啟迪】

根據研究結果，Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅合金在極端溫度范圍內表現出了卓越的抗斷裂韌性，這為理解從第一性原理出發的缺陷帶形成提供了重要啟示。此外，研究還揭示了在不同溫度下合金的斷裂行為和力學性能，為設計和開發更具高溫強度和損傷容限的合金提供了指導。

文章詳情DOI：10.1126/science.adn2428