科技日报记者 杨仑
近日，记者从吉林大学获悉，该校材料科学与工程学院连建设教授研究团队与国内外研究团队合作，在超高强塑性纳米合金研究领域取得重要进展。相关研究成果于2022年4月13日在《自然》杂志上在线发表。吉林大学为该研究成果的第一完成单位。
当金属材料内部的晶粒尺寸减小至纳米尺度，材料的强度将依Hall-Petch关系大幅度提高。但当纳米晶金属塑性变形时，位错变得极难在如此小的晶粒内部保留下来，导致材料丧失应变硬化能力，很容易发生塑性变形局域化而失稳。强度与塑性之间的倒置关系成了制约以纳米结构增强的高性能金属材料发展的瓶颈问题。针对这一关键科学问题，连建设教授团队韩双副教授与西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军院士、丁向东教授、马恩教授，澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授及南京理工大学沙刚教授等合作，对超高强纳米金属的应变硬化提出了一种新的机制，并依此路径设计了新颖的高性能合金。
研究团队以NiCo合金作为模型材料，利用脉冲电沉积工艺，在面心立方单相浓固溶体合金中构筑出了由纳米晶粒（晶粒尺寸26 nm）及其内部多尺度成分起伏（1-10 nm）组成的复合纳米结构。制备中有意加剧的成分起伏促成了层错能和晶格应变场的明显起伏，其发生的空间尺度恰好能有效地与位错交互作用，从而改变了位错动力学行为，使位错运动呈现出迟滞、间歇、缠结的特征。这一方面促使位错在纳米晶粒内部有效增殖存储，提高了材料的应变硬化能力；另一方面，提高了位错运动的应变速率敏感性，提升了应变速率硬化能力。在应变硬化与应变速率硬化的共同作用下，该纳米合金在超高流变应力水平上展现出独特的强度与塑性的优化配置，达到了单相面心立方金属（包括传统的溶剂-溶质固溶体）前所未有的新高度：材料的屈服强度达到1.6 GPa（吉帕），最高拉伸强度接近2.3 GPa，拉伸断裂应变可达16%。
图. Ni50Co50合金中由纳米尺度晶粒（a、b、c）和晶内多尺度成分起伏（d、e、f）构成的复合纳米结构。成分起伏呈三维网络分布（g），且成分不同的区域之间由“成分边界”分隔开来（h）。（i）Ni50Co50合金的拉伸工程应力应变曲线。图中还给出了纳米晶Ni、纳米晶Co和多层纳米结构NiCo合金在相同应变速率下的拉伸曲线作为参考和对比。（j）纳米晶金属材料屈服强度-强塑积关系图。在不同应变速率下测得的不同批次的纳米晶Ni50Co50合金的性能用红色五角星表示。
本研究中展示的是一种基于纳米尺度（1-10 纳米）明显成分起伏与运动位错间相互作用的强化机制，不同于基于原子半径差的传统固溶强化—即单个溶质原子与位错应力场间的相互作用。通过选择合适的合金体系或制备工艺，这一结构-成分复合调控理念可望为新型合金材料的设计与开发开辟新的思路。
吉林大学材料科学与工程学院博士研究生李恒、西安交通大学金属材料强度国家重点实验室宗洪祥教授、李苏植教授为论文的共同第一作者，韩双副教授、丁向东教授、沙刚教授、廖晓舟教授和马恩教授为论文的共同通讯作者。研究涉及的同步辐射X射线表征、测试和分析由香港城市大学任洋教授领导的科研团队完成。该研究得到国家自然科学基金青年基金项目、吉林省科技发展计划青年科研基金项目以及国家留学基金委员会的资助。
