透過短程有序介面和超奈米沉澱物實現 2.6-GPa 合金的延展化！
結構材料需要更高的強度和更高的延展性。然而，超強合金不可避免地表現出應變硬化能力下降，限制了其均勻伸長率。
鑑於此，西安交通大學吳戈教授、香港城市大學呂堅院士，西安交通大學劉暢教授以及劉思達教授分別針對基於釩、鈷和鎳並新增了鎢、銅、鋁和硼的細晶合金中的晶粒內部和晶界區域提出了超奈米（<10奈米）和短程有序設計。明顯的晶界相關強化和延展機制是透過晶界附近短程有序的偏析來實現的。此外，較大尺寸的超奈米有序化對位錯和堆垛層錯的釘扎效應增強，這些位錯和堆垛層錯在塑性變形過程中在晶粒內部倍增和積累。這些機制促使流動應力不斷增加，直到合金在10%應變和2.6吉帕拉應力下斷裂。相關研究成果以題為“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”發表在最新一期《Science》上。
【微觀結構和成分】
研究人員開發了一種合金系統，透過整合短程有序(SRO)介面和超奈米沉澱物(S-L12顆粒)，其抗拉強度為2.6 GPa，延展性增強。該合金以釩、鈷和鎳為基礎，新增鎢、銅、鋁和硼，採用雙相結構，具有面心立方(FCC)和有序體心立方(BCC，特別是L21)相（圖1A-B）。FCC和BCC相的平均晶粒尺寸均為~1μm。這種細化縮短了位錯平均自由程，放大了晶粒邊界(GB)處與SRO的相互作用（圖1C-D）。FCC相占主導地位：FCC相佔結構的78.7%，平衡了強度和延展性。SRO和S-L12粒子：SRO結構集中在晶界附近，而S-L12粒子（~0.5-4 nm）分散在FCC晶粒內部。兩種結構都透過位錯相互作用增強了機械效能。FCC相中SRO和S-L12的體積分數分別為22%和30%（圖1F-K）。分子動力學模擬顯示SRO和FCC基質之間存在正介面相互作用能，從而推動SRO向晶界偏析。相反，S-L12粒子的負相互作用能促進它們在晶粒內部沉澱（圖1E）。總的來說，雙相設計，輔以奈米級排序，實現了強化和延展性的協同作用。
圖 1. SS合金的結構（在FCC相中同時含有SRO和S-L12顆粒）
【總結】
本文提出了一種透過短程有序介面和超奈米沉澱物實現2.6 GPa合金延展性的策略。超奈米沉澱物是直徑為0.5至~4nm的L12粒子，與FCC固溶體基質相干。與SRO相比，它們在塑性變形過程中對位錯和SF具有更強的釘扎作用，從而引發位錯在FCC相晶粒內部的增殖和積累，從而提高應變硬化率。SRO與FCC基質具有正的介面相互作用能，促進它們在FCC相的GB區域附近偏析。這種配置有助於提高屈服強度。位錯的釘扎作用不太明顯，有利於位錯在FCC相的GB區域附近運動，從而誘導SRO的有序到無序轉變。這種行為，加上較弱的位錯堆積配置，在塑性變形過程中緩解了FCC相GB處的應變集中。因此，應變變化均勻分佈在FCC相的晶界區域和晶粒內部。此外，由於塑性變形過程中的超高應力水平，BCC到FCC的相變發生在FCC-BCC相邊界上。相邊界附近的異質變形模式也可以誘導應變硬化，而位移相變可以緩解相邊界處的應力集中，從而進一步延展合金。超奈米有序沉澱結構和SRO介面修飾相結合提供了一種延展超強合金的策略，可實現大的均勻伸長率和持續的應變硬化直至斷裂，尤其是對於拉伸強度超過2.5GPa的合金。
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