四校合作Nature:兼具强度和延展性金属设计


【导读】

研究表明,具有纳米晶粒(NC)的金属具有接近2GPa的超高强度。然而,这种极端的晶界(GB)强化导致金属丧失了所有的拉伸延展性,即使在具有延展性最强的面心立方结构中也是如此。这种晶界硬化伴随着拉伸延展性的降低,使得NC金属几乎无法使用。微小的NC晶粒缺乏应变硬化和应变速率硬化的能力,而这对于维持离域的塑性应变是必不可少的。由于内部背应力,应力-应变曲线在屈服开始后仅短暂增加。这种名义上的“应变硬化”在塑性应变内迅速耗尽。对于在塑性中连续加入的NC晶粒内部的固有硬化,产生的位错从一个GB快速到其他GB中,几乎没有机会保留在内。这种位错存储的缺乏使金属失去了其最有效的应变硬化机制。因此,希望设计一种强化机制,也可以使额外的应变硬化和应变率硬化,以使应变离域,避免产生塑性变形和不稳定性。

【成果掠影】

鉴于此,吉林大学韩双副教授澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授,西安交通大学丁向东教授和马恩教授,南京理工大学沙刚教授共同通讯作者)证明了纳米晶NiCo固溶体虽然仍然是面心立方单相,但显示出约2.3GPa的拉伸强度和约16%的拉伸断裂应变,具有可观的延展性。通过高浓度固溶体中的成分波动,实现了这种不寻常的抗拉强度和延展性。具体来讲,本文基于自下而上的脉冲电化学沉积工艺,成分起伏使层错能和晶格应变在1到10 nm范围内的长度尺度上发生空间变化,从而明显影响位错的运动。尽管纳米晶粒内部的空间非常有限,但位错的运动变得缓慢,促进了它们的相互作用、互锁和积累。结果表明,流动应力增加,同时促进了位错储存,增加了应变硬化,从而增加了延展性。同时,沿位错线的链段脱陷需要较小的活化体积,因此应变速率敏感性增加,这也稳定了拉伸流动。

相关研究成果以“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.通过调控高浓度固溶体中的成分,实现了不寻常的抗拉强度和延展性;

2.晶格中的成分波动引入了一种创新但普遍适用的路线,该路线能够同时施加额外的应变硬化,以延长超高流动应力下的拉伸延展性。

【数据概览】

、电沉积NCNiCo合金纳米级组成的不均匀性

(a,b)三维重构TKD定向图像和相应的相位图像;

(c)多个TKD图像的粒度分布;

(d)从APT测量中得到的三维重构图,说明了整个样品中Ni浓度的变化;

(e,f)二维平面内浓度调制和相应的原子分布图;

(g)成分不均匀性的三维网络;

(h)58%Ni和48%Co等浓度表面的直方图;

二、NCNiCo合金在室温下出色的强度-延展性

(a)NC NiCo合金代表性的拉伸-应力曲线;

(b)屈服强度与极限抗拉强度(σUTS)和失效应变(εe)的关系;

(c)应变硬化率与真实应变的关系;

(d)NC NiCo合金的应力-应变曲线及位错密度与应变的关系。

、在拉伸试验后观察的在NiCo中储存的位错

(a)在{111}面上部分位错的HRTEM图像;

(b)具有代表性的HRTEM图像;

(c)一个60°全位错解离成一个90°部分位错和一个30°部分位错的原子结构的STEM-HAADF图像;

(d)反变换快速傅里叶的图像;

(e)由两个部分位错的反应形成的HRTEM图像;

(f)由SF1、SF2、SF3三个堆叠断层以及4个位错组成的HRTEM图像。

、NiCo合金组成不均匀性的原子模拟及其对位错动力学的影响

(a,b)Ni50Co50溶液和成分波动的Ni50Co50溶液中的成分等高线图;

(c)SFE(圆)、USFE(正方形)及其差值(三角形)对均匀NiCo固溶体中Co浓度的依赖关系;

(d)在恒定的约120MPa剪切应力下,<110>/2边缘位错的滑移距离随时间的变化;

(e)成分变化对位错迁移率的影响。

【成果启示】

综上所述,本文除了在的NC晶粒强化之外,还利用了固溶体中的高浓度及其多尺度空间起伏,以及局部SFE的广泛变化,可以有目的地在长度尺度上进行调制,从而有效地影响位错运动。结果表明,这对位错传播施加了阻力,同时提高了位错互锁和积累的机会,这对于应变硬化特别有用(即使初始屈服强度没有大幅提高)。从长远来看,晶格中的成分波动引入了一种创新但普遍适用的路线,该路线能够同时施加额外的应变硬化和应变率硬化,以延长超高流动应力下的拉伸延展性。因此,本文的工作扩展了冶金设计的策略,并提供了探索强度-延展性领域未知领域的机会。

文献链接:“Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulationNature202210.1038/s41586-022-04459-w

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