摘要：在此，西安交通大学吴戈教授，刘畅教授，刘思达教授和香港城市大学吕坚院士等人提出了一种超纳米（

高强度和高延展性是结构材料所期望的特性。然而，超强合金不可避免地表现出应变硬化能力降低，限制了其均匀延伸率。

在此，西安交通大学吴戈教授，刘畅教授，刘思达教授和香港城市大学吕坚院士等人提出了一种超纳米（

相关文章以“Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates”为题发表在Science上！

研究背景

晶粒细化是一种在工业中广泛应用的实用方法，用于同时提高粗晶和细晶合金的强度和延展性。细晶合金的屈服强度通常低于1 GPa。尽管将晶粒细化到纳米尺度可以显著提高强度，但延展性会因此降低。一种梯度结构（表面为纳米晶粒，样品内部为粗晶粒）和异质结构（具有不同晶粒尺寸）是同时提高强度和延展性的成功合金设计策略。由于纳米晶粒区域的晶界（GB）强化作用，强度得到了提升。在塑性变形过程中，粗晶粒中的位错增殖以及纳米晶粒与粗晶粒区域过渡区附近几何必要位错的产生，促进了高应变硬化率，从而增强了延展性。晶粒内部的纳米结构化是另一种重要方法。成功的策略包括引入共格纳米析出相、短程有序（SRO）、化学不均匀性以及纳米孪晶等。这些纳米结构与位错之间的原子相互作用促进了晶粒内部位错的增殖，从而提高了应变硬化率。这些合金的抗拉强度可以提高到1至约2 GPa。为了进一步将合金强化到超高强度水平（例如，抗拉强度>2.5 GPa），需要引入各种强化机制。然而，由此导致的降低的应变硬化率通常会引发不稳定的缩颈或Lüders带的形成。这种局部变形会显著缩短均匀延伸率（例如，2.5 GPa合金的均匀延伸率

主要内容

与上述关注不同晶粒尺寸分布或晶粒内部纳米结构化的合金设计策略不同，本文在这里采用短程有序（SRO）装饰面心立方（FCC）相的晶界区域（短程有序界面），这得益于SRO与FCC基体之间正的界面相互作用能。短程有序界面可以被归类为一种晶界复合体，显著增加了阻碍位错运动的应力障碍——即更高的屈服强度。因此，在塑性变形过程中，与晶粒内部相比，更多位错会在晶界区域堆积。位错的活动（滑移和堆积）破坏了SRO的有序结构，转变为无序固溶体——即从有序到无序的转变。这种行为削弱了晶界区域的应力集中，从而阻碍了FCC相晶界的开裂。

此外，在FCC相的晶粒内部引入了

图1：SS合金的结构（在面心立方相中同时含有SRO和S-L12颗粒）。

图2：SS合金的室温拉伸性能。

图3：SS合金中面心立方相在张力作用下的结构演化。

图4：SS合金的变形机理。

总的来说，本文提出了一种通过短程有序界面和超纳米沉淀来增韧2.6 GPa合金的策略。超纳米沉淀是L12型颗粒，直径为0.5至~4纳米，与面心立方（FCC）固溶体基体共格。与短程有序结构（SRO）相比，它们在塑性变形期间对位错和堆垛层错（SFs）具有更强的钉扎效应，触发了FCC相晶粒内部位错的增殖和累积，从而提高了应变硬化率。SRO与FCC基体之间具有正的界面相互作用能，促进了其在FCC相晶界区域的偏析。这种配置有助于提高屈服强度。SRO对位错的钉扎效应较弱，有利于位错在FCC相晶界区域的运动，从而诱导SRO从有序到无序的转变。这种行为，连同较弱的位错堆积配置，缓解了FCC相晶界区域在塑性变形期间的应力集中。因此，应变变化均匀分布在FCC相的晶界区域和晶粒内部。

此外，由于在塑性变形期间的超高应力水平，体心立方（BCC）到FCC的相变发生在FCC-BCC相界处。相界附近的异质变形模式也可以诱导应变硬化，而位移相变则缓解了相界处的应力集中，进一步增韧合金。超纳米有序结构和界面装饰的SRO相结合的沉淀结构为增韧超强合金提供了一种策略，实现了在断裂前具有连续应变硬化的大幅均匀延伸，特别是对于抗拉强度超过2.5 GPa的合金。

作者简介

吴戈，博士生导师，在金属材料强韧化的研究中，提出一种创新材料设计理念——“超纳双相结构”。超纳意为结构特征尺寸小于10 nm，在此尺寸下材料会表现出一些奇异的性能。使用超纳非晶相取代传统晶态合金中的晶界，可有效克服晶界软化效应。代表性成果包括：1）开发出结构特征尺寸小于10纳米的晶体-非晶纳米双相结构镁基合金，提高材料的强度至接近理论极限；2）通过晶态固溶体替换金属间化合物晶体相，激活晶体相的应变硬化与纳米级非晶相的均匀塑性流变，解决脆性问题，设计并制备出了兼具超高强度和高塑性的高熵合金及铝合金；3）物理气相沉积纳米双相非晶合金以及晶体-非晶纳米双相合金的实用化可行研究：大幅提升基体合金和3D打印结构的力学性能或使役性能。相关研究为新型超强、高韧合金的研发及其在高载耐磨涂层、微纳芯片等方面的应用提供了纳米结构基础、理论和实验依据。相关成果以第一作者/通讯作者在Nature（封面文章）、Science、Nature Communications（6篇）、Science Advances、Advanced Materials、Materials Today等期刊发表，获“非晶杰出青年科学家奖”（当年全国5人）等。担任陕西省电子显微镜学会常务理事。期刊Journal of Materials Science & Technology青年编委。

刘畅，西安交通大学教授，博导，国家级青年人才。西安交通大学“金属材料强度国家重点实验室”成员。长期致力于开发超强高塑性合金，并研究其力学行为、强塑化机制及使役性能，以第一作者/通讯作者在国际顶级期刊发表多篇论文，包括Nature Communications（3篇），Advanced Materials, Materials Today，Advanced Science，Electrochimica Acta，Scripta Materialia等。

刘思达，西安交通大学航天航空学院教授，博导，国家级青年人才。西安交大“先进材料和结构多尺度力学与智能设计”团队与山东大学“微纳晶种技术与高性能铝合金团队”核心成员。研究方向为基于晶种技术与数据驱动的极端工况下高性能轻质合金开发。自主研发的Al-TCB晶种合金细化剂系列产品在改善铝合金性能方面效果显著，在中铝、华为、美国辉门等企业获得应用并出口至德、意、韩等十几个国家。主持或参与国家青年人才、科技部重点研发、国自然面上等课题8项。相关工作在Chemical Reviews、Science Advances、Acta Materialia、Compos. Part. B Eng. 等期刊以一作或通讯作者身份发表论文20余篇，发表SCI论文合计50余篇，授权国家发明专利4件。担任中国材料研究学会青年工作委员会理事会理事、中科院一区期刊Mater. Res. Lett.、J. Mater. Sci. Technol.、Rare Metals的青年编委。研究经历得到央视国际频道、德意志学术交流中心、今日头条等媒体或机构的报道。

文献信息

Yong-Qiang Yan†, Wen-Hao Cha†, Sida Liu*, Yan Ma, Jun-Hua Luan, Ziyuan Rao, Chang Liu*, Zhi-Wei Shan, Jian Lu*, Ge Wu*, Ductilization of 2.6-GPa alloys via short-range ordered interfaces and supranano precipitates, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4917

来源：华算科技