導讀：具有納米晶粒的金屬具有接近 2 GPa的超高強度。然而，這種極端的晶界強化導致幾乎所有的拉伸延展性喪失，包括金屬具有面心立方結構—所有晶體結構中延展性最強的結構。在這裡，本文證明了納米晶鎳鈷固溶體雖然仍然是面心立方單相，但顯示出約 2.3 吉帕的拉伸強度和約 16% 的斷裂伸長率，具有可觀的延展性。這種不尋常的抗拉強度和延展性結合是通過高濃度固溶體中的成分波動來實現的。起伏使層錯能和晶格應變在 1 到 10 納米範圍內的長度尺度上發生空間變化，從而顯著影響位錯的運動。儘管納米晶粒內部的空間非常有限，但位錯的運動變得緩慢，促進了它們的相互作用、互鎖和積累。結果，流動應力增加，同時促進了位錯儲存，增加了應變硬化，從而增加了延展性。同時，沿位錯線的鏈段脫陷需要較小的活化體積，因此應變率敏感性增加，這也穩定了拉伸流動。因此，抗位錯傳播的起伏景觀提供了一種加強機制，可在高流動應力下保持拉伸延展性。
近年來，人們不斷努力將晶粒穩定在納米尺寸範圍內。這種納米晶 (NC) 材料的機械強度預計將增加超過 1 GPa，甚至接近某些金屬的2 GPa水平。然而，這種晶界 (GB) 硬化伴隨着拉伸延展性的降低，斷裂伸長率下降到不到幾個百分點，使 NC 金屬幾乎無法使用。這種權衡並不奇怪，因為微小的 NC 晶粒缺乏應變硬化和應變率硬化的能力，而這對於維持塑性應變至關重要 . 由於內部背應力，應力-應變曲線僅在屈服開始後短暫增加。這種名義上的「應變硬化」會在塑性應變的百分之幾內迅速耗盡。對於連續加入塑性流動的NC晶粒內部的內在加工硬化，產生的位錯迅速從一個GB（源）穿過湮滅到其他GB中，幾乎沒有機會保留在內部。這種位錯儲存的缺乏剝奪了金屬最有效的應變硬化機制。
因此，需要設計一種強化機制，該機制還可以賦予 NC 晶粒額外的應變硬化和應變率硬化，以使應變離域並避免塑性不穩定性。我們利用高度濃縮的固溶體來應對這一挑戰。我們的設計策略概述如下。中心思想從最近出現的高熵合金 (HEA)中得到啟發，它們是由多種主要元素組成的合金；不同水平的不均勻性已被證明可以分散晶格內的位錯活動，從而提高強度-延展性協同作用。然而，報告的 HEA 的機械性能變化有來自已知機制的巨大貢獻，例如錯配體積和局部化學排序，從而掩蓋了成分波動的作用。
由吉林大學、西安交通大學、悉尼大學、南京理工大學等組成的研究團隊，對超高強納米金屬的應變硬化提出了一種新的機制，並依此路徑設計了新穎的高性能合金。在這裡，我們選擇使用單相面心立方 (fcc) 鎳鈷 (NiCo) 固溶體。Ni 和 Co 具有相似的原子尺寸和彈性模量，混合熱幾乎為零. 因此，NiCo 固溶體接近於「隨機溶液」，對傳統的固溶體硬化沒有太多期望，這可能會掩蓋濃縮合金元素波動的目標效果。由於化學有序區域或第二相的沉澱，Ni-Co 系統也沒有潛在的併發症，這可能（不利地）影響拉伸延展性。通過這種方式，濃度不均勻性作為與均勻 fcc 金屬的關鍵區別被分離出來。此外，我們的 NiCo 溶液將具有接近相等的原子組成。除了這種高濃度溶液已知的明顯的統計濃度波動，我們特意使用電沉積作為製造路線，以進一步升級成分波動，不僅在其大小方面，而且在其長度尺度方面（即，匹配位錯最有可能響應的特徵長度 . 在這種高度集中的合金中，堆垛層錯能 (SFE) 不是單值屬性，而是在空間上隨位置變化。將形成異常崎嶇的景觀以抵抗位錯運動，導致位錯運動緩慢並在應變時促進位錯堵塞。這提高了流動應力和加工硬化率。同時，由於需要激活捕獲的位錯段，應變率敏感性也增加了。我們的機制同時賦予了額外的應變硬化和應變率硬化，因此在超高流動應力下保持了拉伸延展性。實現這種理想的組合一直是 NC 金屬面臨的長期挑戰。
相關研究成果以「Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation」為題於北京時間2022年4月13日在Nature上在線發表。文章共同第一作者為吉林大學李恆博士、西安交通大學宗洪祥教授和李蘇植教授。共同通訊作者為吉林大學韓雙副教授、西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室丁向東教授、南京理工大學沙剛教授、悉尼大學廖曉舟教授和西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室馬恩教授。
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