1. 显微结构新设计策略：利用成分波动提高合金的强塑性

当金属材料的晶粒尺寸减小至纳米尺度时，材料的强度可达2GPa的水平，但是塑形却严重下降，甚至表现出无塑性的特征。另外，纳米金属是非常不稳定的，在室温下便可发生粗化。缺乏加工硬化和应变-速率硬化应为是导致纳米金属塑性差的根本原因。本文借鉴高熵合金的设计策略，设计出了一种等原子比的NiCo合金，除了高浓度固溶带来明显的浓度波动之外，本文使用电沉积作为制造途径，不仅在幅度上，而且在长度上进一步提高成分的波动。在这种高度固溶的合金中，层错能(SFE)不是单值性质，而在空间上随位置变化。本文有意使成分波动，以扩大SFE的变化。因此，一个明显的崎岖成分波动将被创造以阻止位错的运动，造成缓慢的位错运动和促进位错累积，这提高了流动应力和加工硬化速率。同时，由于需要激活被捕获的位错段，应变率敏感性也提高了。因此，这种显微结构设计策略同时赋予了合金额外的应变硬化和应变速率硬化，在超高流变应力下保持了拉伸延性。

图1 NiCo合金中由纳米晶粒和多尺度成分起伏构成的纳米复合结构；沉积的样品由大致等轴的 NC 晶粒组成（图1a）并具有单相 fcc 晶体结构（图1b）。在沉积的材料中可以检测到轻微的（111）纤维织构，这是与固溶合金电沉积相关的典型生长织构。晶粒尺寸间距平均值约为 26 nm 的范围（图1c）。d, APT测量的三维重建图，说明了样品中Ni浓度的变化。e, f，二维平面内浓度调制(e)和对应的原子分布图(f)，取自d中蓝圈截面。GB分别用黑色实线和白色实线突出显示。成分不均匀性的三维网络突出的等浓度表面包括分别含有58-at% Ni和48-at% Co的区域。

2.卢柯院士课题组成功打破纯度-稳定性的矛盾

目前为止，工业使用的金属材料大都是合金，而非纯金属，其主要原因是纯金属具有非常低的热稳定性且滑移系没有被固溶原子钉扎，导致其强度不足。有些金属，特别是那些纳米晶金属，由于晶界过多导致界面能非常高，在室温下就可以发生明显的粗化现象，所以纯金属的晶粒细化非常困难，特别是要细化至纳米级别。高纯金属的由于晶粒稳定性差，晶界迁移的速率较快，在亚微米或微米尺度上，通过强烈的塑性变形实现的晶粒细化通常是饱和的。另外，纯金属通常还具有相对较低的再结晶温度，硬度远较合金低。由于缺乏杂质元素的固溶拖拽效应，金属在热力耦合的条件下晶界运动非常快速。因此，怎样有效抑制纯金属晶界(GB)的运动，一直是世界性难题。近日，国际著名材料学家卢柯院士团队报道了纯Cu中GBs的结构弛豫现象，成功打破了纯度-稳定性的难题。与常规杂质效应相反，Cu样品的热稳定性和硬度随着Cu纯度的提高而提高(而不是降低)。这一发现为稳定纯金属的超塑性加工和应用提供了一种新途径。

图2 2N和6N样品的热稳定性

a1和a2) NG-2N和NG-6N样品在313 K下退火30 min的典型TKD图像。

(b1和b2) RNG-2N和RNG-6N样品在413 K下退火30 min的典型TKD图像。黑色区域为零解析点。

(c) NG-2N、NG-6N、RNG-2N和RNG-6N样品平均晶粒尺寸随退火温度的变化。半固态符号表示先变粗的纳米颗粒的尺寸变化，固态符号表示稳定性最好的纳米颗粒

3. 卢柯院士：在晶粒尺寸极限尺寸中晶铜中稳定Schwarz晶体的形成

本文是卢柯院士在《science》期刊上报道受限晶体的成果之后，在物理学顶刊《Physical review letters》上再次发表的关于受限晶体形成原因的论文。自从受限晶体被发现之后，受到了国内外学者的一直推崇。在极细晶多晶铜中存在一种由共格孪晶界(CTB)约束的可划分空间最小晶界(GBs)的Schwarz晶体结构。发现其比目前已知的任何其他形式的亚稳态(如金属玻璃)表现出更好的热稳定性和机械稳定性。具有GB结构的极细晶粒结构或以极小表面拓扑流形为特征的界面形貌被称为Schwarz晶体(SC)，代表了多晶金属在最终晶粒尺寸极限下的一种新型本征亚稳态。本工作通过原子模拟研究了三维CTB网络对SC形成和热稳定性的约束作用。GB迁移和CTB网络的演化触发SC金刚石的形成。CTB约束对于在消失表面张力下产生零平均曲率的GB和抵消晶格的弹性驱动力是至关重要的。在接近熔点的温度下，GB的运动可以被抑制，GB孔径可降至3nm。受限晶体是人们对金属结构新的认知，为今后发展具备工业应用前景的纳米金属材料开辟了一个崭新的领域。同时，受限晶体的发现也为深入理解材料物理及化学等基础科学问题提供了新的机遇。

图3 Schwarz-D受限晶体结构单元及Kelvin多晶向Schwarz晶体演化过程的分子动力学模拟

4. 通过掺杂O，B，C间隙杂质元素提高非晶合金的室温塑性

大块非晶具有比晶体材料更高的强度和硬度，但是由于缺乏晶体缺陷例如位错，层错等作为变形载体。非晶材料在室温下只能通过剪切带完成变形，基本无塑性出现。增加松散填充区域的密度可以有效得提高非晶合金的塑性。但是引入更多松散填充区域通常会降低非晶的热稳定性和屈服强度。本工作将非金属元素例如O,C,N等引入Ti-，Zr-和Cu-基合金中，通过增加微观结构波动的体积分数，来提高非晶的力学性能。研究表明：非金属的掺杂使其周围形成的局部致密堆积区域，同时避免了脆性第二相的形成。致密堆积区域的引入导致邻近区域变得相对松散，大大增强了材料的结构波动，促进了局部剪切，从而有力地提高了材料的宏观塑性和韧性，并增强了强度。

图4 掺杂O元素的ZrTiHfCuNi 非晶与未掺杂非晶的力学行为；

（a）压缩应力-应变曲线；

（b）断裂强度和塑性随着O含量的变化曲线；

（c）（d）断裂非晶的表面；

（e）不同氧含量试样的剪切带间距和数目密度；

（f）塑性的改变幅度。

5. B，C元素的掺杂解决难熔高熵合金的瓶颈性难题

难溶高熵合金具有非常广阔的应用前景，但是其室温塑性非常差，这严重阻碍了其工业化应用。晶界脱聚被认为是室温脆性的根源，在外力载荷作用下，H原子会优先偏析在晶界处，从而弱化了晶界。本文通过往NbMoTaW基合金中掺杂5000ppm和1500ppm的B和C元素，成功将合金的室温塑性提高至10%以上，而且强度高达1750MPa。研究表明：在无B或C掺杂的合金中，塑性变形时在晶界处发生O元素的富集，导致晶界的弱化和脆性。但是在B和C元素掺杂的合金中，塑性变形时主要发生B和C元素在晶界处的富集，极大的提高了晶界稳定性和强度，并不会导致材料发生脆化。该发现不仅阐明了RHEAs的脆性机理，而且为脆性HEAs的塑化提供了一条有用的途径。

图5 铸态基和B掺杂RHEAs的相组成和力学性能；

(a)不同含量B掺杂NbMoTaW RHEAs的XRD图谱；

 (b)铸态基体RHEA和(c) b -5000 ppm (0.5 at.%)掺杂RHEA的TEM图谱和相应的SAED图谱；

(d)铸态基体RHEA(黑色)与不同B含量掺杂RHEAs室温压缩应力-应变曲线。

6. 利用双相峰窝壳结构制备性能优异的大尺寸钛合金

纳米晶金属虽然具有很高的强度，但是工业的大块制备却非常困难。本文利用“共析元素合金化→淬火→热变形”的工艺成功在经典钛合金Ti-6Al-4V合金的基础上制备出了双峰窝壳纳米结构。这种结构的特点是α等轴晶被β和Cu2Ti的贝壳封装。研究结果表明：这种结构极大地提高了纳米结构的热稳定性，使材料的热稳定性提高至972K。另外，这种合金的拉伸强度高达1.5GPa，比无壳材料的强度高出60%左右，同时不降低其塑性。在650℃/0.01s-1的条件下，该合金的延伸率高达1000%，实现了非常优异的超塑性变形。该工作提出的策略不仅实现了TiCu、TiZrCu等其它钛合金的高性能、高热稳定性超细晶组织的制备，并拓展至包括钢铁材料在内的其它合金体系中，为超细晶金属材料的制备提供了新途径，对超细晶金属材料的设计和研究具有重要意义。 

图6 双相蜂窝壳结构纳米晶Ti6Al4V5Cu合金的组织表征与形成机制分析；

（a）HAADF成像模式观察；

（b）能谱面扫描观察；

（c）双相蜂窝壳结构形成机制示意图；

（d）XRD衍射图谱；

（e）β·cos(θ)-sin(θ)图，添加Cu使淬火后合金内的微观应变增大；

（f）添加Cu细化了马氏体板条；

（g）添加Cu有利于合金在热变形过程中发生柱面滑移而形成等轴晶结构。

7. 新变形机理，镁合金在<c>轴方向上获得超高塑性

本文对镁合金单晶在TEM下进行原位压缩实验，其中<c>轴与压缩轴平行。研究表明：镁单晶首先通过锥面位错滑移主导的滑移进行塑性变形，产生了明显的加工硬化行为。随着加工硬化的不断加剧，当流变应力升高到1 GPa水平时，材料的塑性已消耗殆尽。但令人意外的是，镁单晶不但没有断裂失效，反而被压为扁平状，且没有裂纹产生。此时，合金的塑性变形机理发生了剧烈变化，被压扁的样品已不再是单晶，而是转变成多个具有共<a>轴取向关系的小晶粒，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错，促进了材料的进一步变形。该论文将这种由变形诱导的在基体晶粒中形成新晶粒的过程称为“deformation graining（形变转晶）”。该过程与再结晶晶粒的形成完全不一样，其不依赖于扩散，可在室温下快速发生。形成的新晶粒与基体晶粒具有特定的晶体学取向关系，可继续发生由位错和孪生协调的塑性变形，使得样品重新具有了塑性变形能力。该研究丰富了对塑性变形机制的认识，为镁的变形加工提供了新的启发：在高应力或高应变速率下加工，可由高应力引发新的变形机制，进而提高镁的变形加工能力。

图7 在Py-B界面上的{10-12}孪晶；

(a) 晶粒1、3和10之间的晶界的三联结;分别为{10-10}/{10-13}，{10-10}/{0001}，{0001}/{10-10}；

(b) 从晶粒1形成晶粒3和晶粒10的可能途径;

(c) 晶粒1和晶粒10之间的{10-10}/{10-11}界面。

参考文献

[1] Heng Li, Hongxiang Zong, Suzhi Li et al. Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation. Nature,2022.

[2] Huangliu Fu, Xin Zhou, Hongtao Xue et al. Breaking the purity-stability dilemma in pure Cu with grain boundary relaxation. Materials today.

[3]Zhaohui Jin, Xiuyan Li, and K. Lu et al. Formation of Stable Schwarz Crystals in Polycrystalline Copper at the Grain Size Limit. Physical review letters. (卢柯)

[4] Yuan Wu, Di Cao, Yilin Yao, Guosheng Zhang et al. Substantially enhanced plasticity of bulk metallic glasses by densifying local atomic packing. Nature communications.

[5] Zhengqi Wang, Honghui Wu, Yuan Wu et al. Solving oxygen embrittlement of refractory high-entropy alloy via grain boundary engineering. Materials today.

[6] Hai Wang, Wei Song, Mingfeng Liu et al. Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phase honeycomb shell. Nature communications.

[7] Bo-Yu Liu, Zhen Zhang, Fei Liu et al. Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium. Nature communications.