2024 Science|给合金打上“麻花结”

一、【科学背景】

金属材料的强度与韧性之间的平衡是至关重要的，特别是在极端环境下，尤其是在高温环境中表现尤为突出。在过去的半个世纪里，随着全球对减少碳排放的迫切需求以及提高燃油效率的不断追求，推动了新型材料的发展，这些材料旨在超越传统高温合金的高温性能，如含硅耐火材料和TiAl等。这些新型材料的研发和应用，对于提升工业制造、航空航天等领域的高温性能具有重要的推动作用。

材料经过精心设计，旨在承受高温环境下的高强度要求。然而，实现这些材料在高温条件下同时具备损伤容限却是一项颇具挑战性的任务。特别值得注意的是，在低温环境中，这些材料的性能会受到影响。具体来说，当温度低于材料的韧脆转变温度时，它们的性能会显著下降。因此，几乎所有这些材料都不适合用于对安全性要求极高的应用场景。

二、【科学贡献】

美国加利福尼亚大学伯克利分校Robert O. Ritchie团队测试了单相bcc耐火合金NbTaTiHf从77到1473开尔文温度时的强度和断裂韧性。该合金的断裂韧性超过253MPa·M^1/2，与同类合金的断裂韧性不同，作者将其归因于螺/边缘位错在控制裂纹尖端塑性方面的动态竞争。螺旋位错和混合位错的滑动和相交形成了类似麻花的扭带结。这种“麻花结”重新定向晶体的微尺度带，从而抑制了应变硬化。此外，扭折带的连续成核可以适应局部应变，使损伤分布远离裂纹尖端，提升了合金的强度和韧性。

图1 Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅的初始显微组织

图2 Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅的力学性能

图3 77~1473 K Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅的变形机制及断口形貌

图4 Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅ RHEA与其他结构材料进行比较

三、【创新点】

作者解释了HfNbTaTiZr合金超高断裂韧性的形成机理，提出了扭结带韧性增强机制。合金中的扭结带由<111>位错与{110}和{112}滑动面的协调滑移通过形成，这种扭折带重新定向晶体的微尺度带，从而抑制了应变硬化，并使损伤分布远离裂纹尖端，提升了合金的强度和韧性。

四、【科学启迪】

根据研究结果，Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅合金在极端温度范围内表现出了卓越的抗断裂韧性，这为理解从第一性原理出发的缺陷带形成提供了重要启示。此外，研究还揭示了在不同温度下合金的断裂行为和力学性能，为设计和开发更具高温强度和损伤容限的合金提供了指导。

文章详情DOI：10.1126/science.adn2428