四校合作Nature：兼具强度和延展性金属设计

【导读】

研究表明，具有纳米晶粒（NC）的金属具有接近2GPa的超高强度。然而，这种极端的晶界（GB）强化导致金属丧失了所有的拉伸延展性，即使在具有延展性最强的面心立方结构中也是如此。这种晶界硬化伴随着拉伸延展性的降低，使得NC金属几乎无法使用。微小的NC晶粒缺乏应变硬化和应变速率硬化的能力，而这对于维持离域的塑性应变是必不可少的。由于内部背应力，应力-应变曲线在屈服开始后仅短暂增加。这种名义上的“应变硬化”在塑性应变内迅速耗尽。对于在塑性中连续加入的NC晶粒内部的固有硬化，产生的位错从一个GB快速到其他GB中，几乎没有机会保留在内。这种位错存储的缺乏使金属失去了其最有效的应变硬化机制。因此，希望设计一种强化机制，也可以使额外的应变硬化和应变率硬化，以使应变离域，避免产生塑性变形和不稳定性。

【成果掠影】

鉴于此，吉林大学韩双副教授，澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授，西安交通大学丁向东教授和马恩教授，南京理工大学沙刚教授（共同通讯作者）证明了纳米晶NiCo固溶体虽然仍然是面心立方单相，但显示出约2.3GPa的拉伸强度和约16%的拉伸断裂应变，具有可观的延展性。通过高浓度固溶体中的成分波动，实现了这种不寻常的抗拉强度和延展性。具体来讲，本文基于自下而上的脉冲电化学沉积工艺，成分起伏使层错能和晶格应变在1到10 nm范围内的长度尺度上发生空间变化，从而明显影响位错的运动。尽管纳米晶粒内部的空间非常有限，但位错的运动变得缓慢，促进了它们的相互作用、互锁和积累。结果表明，流动应力增加，同时促进了位错储存，增加了应变硬化，从而增加了延展性。同时，沿位错线的链段脱陷需要较小的活化体积，因此应变速率敏感性增加，这也稳定了拉伸流动。

相关研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.通过调控高浓度固溶体中的成分，实现了不寻常的抗拉强度和延展性；

2.晶格中的成分波动引入了一种创新但普遍适用的路线，该路线能够同时施加额外的应变硬化，以延长超高流动应力下的拉伸延展性。

【数据概览】

图一、电沉积NC NiCo合金纳米级组成的不均匀性

（a，b）三维重构TKD定向图像和相应的相位图像；

（c）多个TKD图像的粒度分布；

（d）从APT测量中得到的三维重构图，说明了整个样品中Ni浓度的变化；

（e，f）二维平面内浓度调制和相应的原子分布图；

（g）成分不均匀性的三维网络；

（h）58%Ni和48%Co等浓度表面的直方图；

图二、NC NiCo合金在室温下出色的强度-延展性

（a）NC NiCo合金代表性的拉伸-应力曲线；

（b）屈服强度与极限抗拉强度（σ_UTS）和失效应变（ε_e）的关系；

（c）应变硬化率与真实应变的关系；

（d）NC NiCo合金的应力-应变曲线及位错密度与应变的关系。

图三、在拉伸试验后观察的在NiCo中储存的位错

（a）在{111}面上部分位错的HRTEM图像；

（b）具有代表性的HRTEM图像；

（c）一个60°全位错解离成一个90°部分位错和一个30°部分位错的原子结构的STEM-HAADF图像；

（d）反变换快速傅里叶的图像；

（e）由两个部分位错的反应形成的HRTEM图像；

（f）由SF1、SF2、SF3三个堆叠断层以及4个位错组成的HRTEM图像。

图四、NiCo合金组成不均匀性的原子模拟及其对位错动力学的影响

（a，b）Ni₅₀Co₅₀溶液和成分波动的Ni₅₀Co₅₀溶液中的成分等高线图；

（c）SFE（圆）、USFE（正方形）及其差值（三角形）对均匀NiCo固溶体中Co浓度的依赖关系；

（d）在恒定的约120MPa剪切应力下，<110>/2边缘位错的滑移距离随时间的变化；

（e）成分变化对位错迁移率的影响。

【成果启示】

综上所述，本文除了在的NC晶粒强化之外，还利用了固溶体中的高浓度及其多尺度空间起伏，以及局部SFE的广泛变化，可以有目的地在长度尺度上进行调制，从而有效地影响位错运动。结果表明，这对位错传播施加了阻力，同时提高了位错互锁和积累的机会，这对于应变硬化特别有用（即使初始屈服强度没有大幅提高）。从长远来看，晶格中的成分波动引入了一种创新但普遍适用的路线，该路线能够同时施加额外的应变硬化和应变率硬化，以延长超高流动应力下的拉伸延展性。因此，本文的工作扩展了冶金设计的策略，并提供了探索强度-延展性领域未知领域的机会。

文献链接：“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-04459-w）

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