武晓雷Nat. Mater.：优异力学性能的合金材料！

一、【科学背景】

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，阻碍金属的进一步变形，而塑性和韧性降低的现象被称为加工硬化。加工硬化是金属结构材料拉伸塑性的基础，其前提是拉伸变形时在晶粒内部形成、增殖并储存的位错，位错之间以及位错与界面和析出相等的交互作用引起加工硬化。当晶粒细化至纳米尺度时，晶粒内部则很难产生并储存位错，降低了加工硬化能力，引起低塑性瓶颈。在高强度纳米结构金属中，如何形成并储存位错是实现其加工硬化的难题，更是挑战。

二、【创新成果】

基于以上难题，中国科学院力学研究所武晓雷研究员团队在Nature Materials发表了题为“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”的论文，提出了一种加工硬化新策略，即利用并控制已经发生的塑性失稳实现加工硬化，并据此策略获得了目前最高的力学性能。通过在多主元VCoNi合金中利用吕德斯带（LB）诱导的局部颈缩来促进位错的快速增殖，实现了林位错加工硬化和异质变形诱导硬化，后者是几何必需位错与化学短程有序的应变场之间交互作用的结果。这种双重工作硬化作用不仅抑制了过早的颈缩，而且促进了均匀变形，实现了在室温和低温变形过程中，可获得约2GPa的屈服强度和20%的延展性，同时实现了超高的强度和延展性。这些发现为在超高屈服强度下克服强度-塑性悖论提供了一种新的不稳定性控制范式。

研究人员利用像差校正高角环形暗场像和弱束暗场像分析了位错的核心结构、位错密度及位错与界面的交互作用。变形过程中吕德斯带前端位错快速产生和累积形成位错缠结，这些位错缠结会捕获可动位错，成为吕德斯带扩展的主要机制。

图1  多主元VCoNi合金的初始微结构 © 2024 Springer Nature

图2  LB前端的早期颈缩、塑性响应和位错增殖 © 2024 Springer Nature

图3  拉伸变形后晶粒内部的位错行为 © 2024 Springer Nature

图4  LB扩展和均匀变形过程中的加工硬化 © 2024 Springer Nature

图5  通过利用并控制早期颈缩实现加工硬化 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本研究通过在VCoNi多主元合金中利用LB诱导的局部颈缩，产生三轴应力和应变梯度，促使位错快速增殖，这会导致林位错硬化及额外的由位错与局部化学有序区相互作用而产生的加工硬化，实现了位错的快速增殖和双重工作硬化。这种双重的强化机制反过来抑制和稳定了LB的失稳扩展，促进了均匀变形，从而在超高屈服强度下获得了优异的延展性。这一发现不仅为解决金属结构材料中的强度—塑性权衡问题提供了新的策略，也为设计和开发具有优异力学性能的新型合金材料提供了重要的理论依据。通过这种方法，可以在保持材料高强度的同时，显著提高其塑性，为先进高强金属材料的发展开辟了新的可能性。

原文详情：Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys (Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01871-7)

本文由赛恩斯供稿。