马普所《Nature》子刊：新型合金设计策略，实现4.2GPa近理论强度！

2022-03-03 15:25:17 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

高强高塑性合金在航空航天、汽车运输、精密制造等领域有广泛应用，因此，研发具备超高强度与大均匀塑性变形能力的新型合金是材料领域的重要发展方向之一。然而，金属材料的实际强度通常远远低于理论值（理论强度=剪切模量/10）。并且，合金的均匀塑性变形能力通常随着强度的提升而降低，即材料领域常见的“强度-塑性相互掣肘”难题。

原子尺寸较小的间隙元素如O、C、N在合金中位于晶格的间隙位置，可以引起剧烈的晶格畸变，有效阻碍位错运动。因此，间隙固溶强化可以大幅提升合金强度。然而，传统间隙固溶合金的间隙元素含量通常较低（< 2 at.%），难以将强度提升至近理论极限。此外，间隙固溶合金的塑性变形能力通常随间隙元素含量提升而降低，特别是当间隙元素含量超过一定数值（如2 at.%）时，容易生成脆性陶瓷相如氧化物、碳化物，大幅降低合金的塑性。

针对这一问题，德国马普钢铁所研究团队提出了一种新的超强高塑性合金设计策略：使用具备剧烈晶格畸变的多组元合金作为基体，引入大量间隙固溶元素，从而获得近理论强度与大塑性均匀变形能力。研究团队将此类新型合金命名为 “大量间隙固溶（MISS）合金” 。研究团队借助热力学理论指导，结合高熵合金的过饱和置换固溶体特性，将等原子比TiNbZr合金作为基体，成功在该合金中引入12 at.%的间隙O元素，并且没有生成氧化物，合金保持单相体心立方（BCC）结构。这一大量间隙固溶合金具备4.2 GPa的超高屈服强度（换算为剪切强度=剪切模量/18），接近理论极限（剪切模量/10），和优异的均匀塑性变形能力（在微柱压缩试验中能均匀变形至65%应变）。

相关成果以“Massive interstitial solid solution alloys achieve near-theoretical strength”为题发表在国际著名期刊Nature子刊《Nature Communications》。刘畅博士（马普所）为论文第一作者，通讯作者为吴戈教授（西安交通大学）、李志明教授（中南大学）和DierkRaabe院士（马普所）。其他作者还包括逯文君助理教授，夏文真教授，杜朝伟博士，饶梓元博士，James P. Best博士，SteffenBrinckmann博士，吕坚院士，Baptiste Gault教授，Gerhard Dehm教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28706-w

图1 大量间隙固溶O-12合金与等原子比TiNbZr合金的结构

（a）O-12合金与（b）TiNbZr合金的截面与平面透射电镜（TEM）图片。x-y面为合金表面，z面为合金截面。（a, b）右上方插图是针对截面试样的典型选区电子衍射（SAED）花样，显示了单相BCC结构；右下方插图是相应合金的晶粒尺寸分布统计。（c, d, e ）环形明场扫描透射电子显微图（ABF-STEM），展示O-12合金的结构，且没有氧化物生成

图2 大量间隙固溶O-12合金的原子探针层析（APT）及X射线衍射（XRD）表征结果。

（a）APT数据的三维重构图。（b）在（a）中箭头所示区域的1D成分图。（c）从APT数据中截取的薄片显示2组{1 1 0}晶面，晶格间距为0.24nm。（d）O-12合金与TiNbZr合金的XRD数据，显示单相BCC结构。

图3 大量间隙固溶O-12合金的力学性能。

（a）压缩应力-应变曲线，插图为O-12微米柱在压缩试验前的SEM图像。（b）弯曲试验载荷-位移曲线，插图显示金刚石压头与O-12悬臂梁在弯曲试验时的SEM图像。（c, d）塑性变形后的微米柱与悬臂梁。（e）大量间隙固溶O-6合金不同压缩应变下的TEM截面图。

图4 大量间隙固溶O-12合金的塑性变形机制。

（a）65%压缩应变的O-12微米柱的典型TEM截面图，显示变形前40 nm左右直径的柱状晶在塑性变形后被细化为10nm左右直径的等轴晶。插图为相应的SAED图。（b）高分辨TEM（HRTEM）图像，显示沿[11 1]带轴观察的O-12微米柱变形后的晶粒，插图为对应的FFT图。（c）APT数据的三维重构图，显示了塑性变形后O-12微米柱内的晶界形状变弯曲。（d）在（c）图中箭头所示区域的1D成分图，O-12合金在变形后的晶界成分相较变形前基本没有改变。

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