香港理工大学《Nature Commun》：新型超高强和高塑性共格纳米片层高熵合金，克服金属材料的强塑性矛盾

研究背景

金属的强塑性匹配矛盾是困扰材料学界的挑战性问题，影响了超高强度金属材料在航空航天，运输，能源等支柱型工程产业的广泛应用。具有高界面密度的纳米片层金属材料被认为是一种潜在的能够获得优异性能匹配的设计方法，然而，现有的纳米及片层金属材料尽管拥有着超高的强度，但是其塑性较差（延伸率低于5%），严重制约了其在工程领域的实际应用。

成果简介

近日，香港理工大学焦增宝博士团队、香港城市大学刘锦川院士团队及中科院金属所的研究人员，提出共格纳米片层合金的设计理念，成功的开发出了具有超高强度（屈服高于2GPa）高塑性（均匀延伸率16%）的新型合金，成功解决了金属材料的强塑性矛盾。新型纳米片层合金的超高强度来源于其高密度的FCC/L1₂界面，其高塑性是由多种因素共同作用：一，FCC片层具有较低的层错能，共格FCC/L1₂界面促进了大量层错均匀的贯穿纳米片层，不会聚集在界面处引起应力集中；二，不同滑移面层错前沿的不全位错发生位错反应，产生大量的不可动Lomer-Cottrell (LC) 位错锁，提高材料的加工硬化能力；三，多组元L1₂片层具有比传统简单组元L1₂更高的强度和塑性。香港理工大学为论文第一单位，通讯作者为香港理工大学焦增宝博士和香港城市大学刘锦川院士，第一作者为香港理工大学博士生范磊，相关论文以“Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures”发表在Nature Communications上。

图文导读

图1 共格纳米片层合金的拉伸应力应变曲线（红色）。黑色和蓝色曲线分别代表传统工艺加工制备和剧烈塑性变形制备的对比合金的拉伸曲线。

图2 共格纳米片层高熵合金的微观组织：（a和b）FCC/ L1₂纳米片层组织的透射电镜明场像及暗场像;（c）FCC和L1₂纳米片层的厚度分布;（d）FCC/ L1₂纳米片层共格界面处的高分辨图片;（e）FCC/ L1₂纳米片层的元素分配及相成分组成的三维原子探针表征。

图3 FCC/L1₂共格纳米片层高熵合金的塑性变形机制：（a）2%应变下的变形组织由少量的平行排列的层错组成;（b）5%应变下产生了大量的层错;（c）16%应变下形成的高密度层错;（d）层错网络及LC位错锁。FFT中衍射条纹确认了相互交错层错的存在，局部放大的典型层错的高分辨图片显示了BCABABCA的原子堆垛次序。

图4 FCC/L1₂共格纳米片层高熵合金与现有材料的拉伸力学性能对比。图中的对比材料包括片层结构合金、片层复合材料以及纳米晶金属。纳米片层合金获得了超高强度和高塑性，克服了金属材料中的强塑性矛盾。

论文链接

Lei Fan, Tao Yang, Yilu Zhao, Junhua Luan, Gang Zhou, Hao Wang, Zengbao Jiao*, Chain-Tsuan Liu*, Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures, Nature Communications, 2020.

链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20109-z。

结论展望

综上所诉，该研究提出了一种设计具有优异力学性能金属材料的新方法：共格纳米片层合金。基于开发的FCC/ L1₂共格纳米片层高熵合金在室温具有超过2GPa的屈服强度和16%的均匀延伸率，显著优于传统的片层材料和纳米结构材料。该材料优异的综合性能使其具有广泛应用于航空航天，能源，运输等支柱型产业的潜力，而且该设计方法有望应用于包括高温合金，钛合金及超强钢在内的其他金属材料。

通讯作者简介

焦增宝博士，香港理工大学机械工程学系助理教授。2010年于北京科技大学吕昭平教授研究组获硕士学位，2014年于香港城市大学C.T. Liu院士研究组获博士学位，2016年于麻省理工学院Christopher A. Schuh院士研究组从事纳米金属材料研究，2017年加入香港理工大学。研究兴趣主要集中在超高强度钢、高温合金、高熵合金和纳米晶的合金设计和组织性能调控，以及纳米结构材料的三维原子探针（APT）表征。发表在Science、Nature Communications、Materials Today、Acta Materialia等期刊论文五十余篇，担任Acta Materialia、Scripta Materialia、Intermetallics等期刊审稿人，课题组网址：www.zbjiao.hk。

刘锦川院士，香港城市大学材料科学与工程系大学杰出教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，台湾中央研究院院士。于美国布朗大学获得博士学位，1967年进入美国橡树岭国家实验室，先后担任研究员暨高级研究员、合金行为与设计部门主任、资深研究院士，1988年获得美国总统奖之一劳伦斯奖，1998年获得布朗大学杰出校友金质奖章，2004年当选为美国国家工程院院士，2005年当选中国工程院外籍院士，2006年获得中国政府友谊奖。主要从事先进金属材料的研究工作。

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