【壓縮機網(wǎng)】當金屬材料內(nèi)部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強度將依Hall-Petch關(guān)系大幅度提高。但當納米晶金屬塑性變形時，位錯變得極難在如此小的晶粒內(nèi)部保留下來，導致材料喪失應(yīng)變硬化能力，很容易發(fā)生塑性變形局域化而失穩(wěn)。近期，由吉林大學、西安交通大學、悉尼大學、南京理工大學組成的研究團隊，對超高強納米金屬的應(yīng)變硬化提出了一種新的機制，并依此路徑設(shè)計了新穎的高性能合金。4月13日，相關(guān)研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”為題在《自然》（Nature）在線發(fā)表。文章共同第一作者為吉林大學李恒博士、西安交通大學宗洪祥教授和李蘇植教授。共同通訊作者為吉林大學韓雙副教授、西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室丁向東教授、南京理工大學沙剛教授、悉尼大學廖曉舟教授和西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室馬恩教授。

　　上述研究團隊以鎳鈷（NiCo）合金作為模型材料，利用脈沖電沉積工藝，在面心立方單相雙主元固溶體合金中構(gòu)筑出了由納米晶粒（晶粒尺寸26nm）及其內(nèi)部多尺度成分起伏（1-10nm）組成的復合納米結(jié)構(gòu)。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯能和晶格應(yīng)變場的明顯起伏，其發(fā)生的空間尺度恰能有效地與位錯交互作用，從而改變了位錯動力學行為，使位錯運動呈現(xiàn)出遲滯、間歇、纏結(jié)的特征，促使其在納米晶粒內(nèi)部有效增殖存儲，提高了材料的應(yīng)變硬化能力。另一方面，由于位錯線不再平直均勻前行，而是粘滯滑移，一段段地“納米片段脫捕”，這一激活過程提高了位錯運動的應(yīng)變速率敏感性，提升了應(yīng)變速率硬化能力。在應(yīng)變硬化與應(yīng)變速率硬化的共同作用下，該納米合金在超高流變應(yīng)力水平上展現(xiàn)出獨特的強度與塑性的優(yōu)化配置，達到了單相面心立方金屬（包括傳統(tǒng)的溶劑—溶質(zhì)固溶體）前所未有的新高度：材料的屈服強度達到1.6GPa，最高拉伸強度接近2.3GPa，拉伸斷裂應(yīng)變可達16%。要實現(xiàn)這樣的強塑性，過去要靠超高強鋼，但后者均為復雜多相、且易發(fā)生呂德斯帶形變和韌脆轉(zhuǎn)變。

　　Ni50Co50合金中由納米尺度晶粒（a、b、c）和晶內(nèi)多尺度成分起伏（d、e、f）構(gòu)成的復合納米結(jié)構(gòu)。成分起伏呈三維網(wǎng)絡(luò)分布（g），且不同成分的區(qū)域之間由“成分邊界”分隔開來（h）。（i）Ni50Co50合金的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖中還給出了納米晶Ni、納米晶Co和多層納米結(jié)構(gòu)NiCo合金在相同應(yīng)變速率下的拉伸曲線作為參考和對比。（j）納米晶金屬材料屈服強度-強塑積關(guān)系圖。在不同應(yīng)變速率下測得的不同批次的納米晶Ni50Co50合金的性能用紅色五角星表示。

　　該研究展示的是一種基于納米尺度（1-10納米）明顯成分起伏與運動位錯間相互作用的強化機制，不同于基于原子半徑差的傳統(tǒng)固溶強化—即單個溶質(zhì)原子與位錯應(yīng)力場間的相互作用。通過選擇合適的合金體系或制備工藝，這一結(jié)構(gòu)—成分復合調(diào)控理念可望為新型合金材料的設(shè)計與開發(fā)開辟新的思路。

　　該工作由多個研究小組通力合作完成。吉林大學韓雙副教授、西安交通大學丁向東教授和孫軍院士共同提出了項目構(gòu)想并指導團隊實施了相關(guān)合金制備、力學性能實驗與分子動力學數(shù)值模擬等方案。西安交通大學馬恩教授凝練了核心科學問題并主導了對結(jié)果的理解和論文的撰寫。該研究的電子顯微分析工作由悉尼大學廖曉舟教授領(lǐng)導的科研團隊完成。南京理工大學沙剛教授團隊通過原子探針分析揭示了多尺度成分起伏的存在，主要計算模擬工作在網(wǎng)信中心校級高性能計算平臺上完成。該研究得到國家自然科學基金、澳大利亞研究理事會、國家留學基金委員會和吉林省科技發(fā)展計劃項目的資助。