科技日報記者 楊侖
近日，記者從吉林大學獲悉，該校材料科學與工程學院連建設教授研究團隊與國內外研究團隊合作，在超高強塑性納米合金研究領域取得重要進展。相關研究成果于2022年4月13日在《自然》雜志上在線發表。吉林大學為該研究成果的第一完成單位。
當金屬材料內部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強度將依Hall-Petch關系大幅度提高。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部保留下來，導致材料喪失應變硬化能力，很容易發生塑性變形局域化而失穩。強度與塑性之間的倒置關系成了制約以納米結構增強的高性能金屬材料發展的瓶頸問題。針對這一關鍵科學問題，連建設教授團隊韓雙副教授與西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士、丁向東教授、馬恩教授，澳大利亞悉尼大學廖曉舟教授及南京理工大學沙剛教授等合作，對超高強納米金屬的應變硬化提出了一種新的機制，并依此路徑設計了新穎的高性能合金。
研究團隊以NiCo合金作為模型材料，利用脈沖電沉積工藝，在面心立方單相濃固溶體合金中構筑出了由納米晶粒（晶粒尺寸26 nm）及其內部多尺度成分起伏（1-10 nm）組成的復合納米結構。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯能和晶格應變場的明顯起伏，其發生的空間尺度恰好能有效地與位錯交互作用，從而改變了位錯動力學行為，使位錯運動呈現出遲滯、間歇、纏結的特征。這一方面促使位錯在納米晶粒內部有效增殖存儲，提高了材料的應變硬化能力；另一方面，提高了位錯運動的應變速率敏感性，提升了應變速率硬化能力。在應變硬化與應變速率硬化的共同作用下，該納米合金在超高流變應力水平上展現出獨特的強度與塑性的優化配置，達到了單相面心立方金屬（包括傳統的溶劑-溶質固溶體）前所未有的新高度：材料的屈服強度達到1.6 GPa（吉帕），最高拉伸強度接近2.3 GPa，拉伸斷裂應變可達16%。
圖. Ni50Co50合金中由納米尺度晶粒（a、b、c）和晶內多尺度成分起伏（d、e、f）構成的復合納米結構。成分起伏呈三維網絡分布（g），且成分不同的區域之間由“成分邊界”分隔開來（h）。（i）Ni50Co50合金的拉伸工程應力應變曲線。圖中還給出了納米晶Ni、納米晶Co和多層納米結構NiCo合金在相同應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-強塑積關系圖。在不同應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。
本研究中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固溶強化—即單個溶質原子與位錯應力場間的相互作用。通過選擇合適的合金體系或制備工藝，這一結構-成分復合調控理念可望為新型合金材料的設計與開發開辟新的思路。
吉林大學材料科學與工程學院博士研究生李恒、西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室宗洪祥教授、李蘇植教授為論文的共同第一作者，韓雙副教授、丁向東教授、沙剛教授、廖曉舟教授和馬恩教授為論文的共同通訊作者。研究涉及的同步輻射X射線表征、測試和分析由香港城市大學任洋教授領導的科研團隊完成。該研究得到國家自然科學基金青年基金項目、吉林省科技發展計劃青年科研基金項目以及國家留學基金委員會的資助。
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