近年来，人们不断努力将晶粒稳定在纳米尺寸范围内。这种纳米晶(NC)材料的机械强度预计将超过1 GPa，甚至接近某些金属的 2 GPa水平。然而，这种晶界(GB)硬化伴随着拉伸延展性的降低，断裂伸长率下降到不到几个百分点，使NC金属几乎无法使用。这种权衡并不奇怪，因为微小的NC晶粒缺乏应变硬化和应变率硬化的能力，而这对于维持离域塑性应变至关重要。由于内部背应力，应力-应变曲线仅在屈服开始后短暂增加。这种名义上的“应变硬化”会在塑性应变的百分之几内迅速耗尽。这种位错储存的缺乏剥夺了金属最有效的应变硬化机制。因此，需要设计一种强化机制，该机制还可以赋予NC晶粒额外的应变硬化和应变率硬化，以使应变离域并避免塑性不稳定性。近日，吉林大学、西安交通大学、悉尼大学、香港城市大学、中国石油大学和南京理工大学联合团队利用高度浓缩的固溶体设计一种强化机制，该机制可以赋予NC晶粒额外的应变硬化和应变率硬化，以使应变离域并避免塑性不稳定性。该工作由多个研究小组通力合作完成。吉林大学韩双副教授、西安交通大学丁向东教授和孙军院士共同提出了项目构想并指导团队实施了相关合金制备、力学性能实验与分子动力学数值模拟等方案。西安交通大学马恩教授凝练了核心科学问题并主导了对结果的理解和论文的撰写。该研究的电子显微分析工作由悉尼大学廖晓舟教授领导的科研团队完成。南京理工大学沙刚教授团队通过原子探针分析揭示了多尺度成分起伏的存在，主要计算模拟工作在网信中心校级高性能计算平台上完成。该研究得到国家自然科学基金、澳大利亚研究理事会、国家留学基金委员会和吉林省科技发展计划项目的资助。中心思想从最近出现的高熵合金 (HEA)中得到启发，它们是由多种主要元素组成的合金；不同水平的不均匀性已被证明可以分散晶格内的位错活动，从而提高强度-延展性协同作用。然而，所报道的HEAs力学性能的变化很大程度上来自于已知的机制，如失配体积和局部化学顺序，掩盖了成分波动的作用。在这里，作者选择使用单相面心立方(fcc)镍钴(NiCo)固溶体。Ni和Co具有相似的原子尺寸和弹性模量，并且混合热几乎为零。因此，NiCo固溶体接近于“随机溶液”，而传统的固溶体硬化没有太多的期望，这可能会掩盖集中合金元素波动的目标效应。由于化学有序区域或第二相的沉淀，Ni-Co系统也没有潜在的并发症，这可能(不利地)影响拉伸延展性。通过这种方式，浓度不均匀性作为与均匀fcc金属的关键区别被分离出来。此外，NiCo溶液将具有接近相等的原子组成，除了这种高浓度溶液已知的明显的统计浓度波动外，作者有意使用电沉积作为制造途径来进一步提升成分波动，不仅是在其幅度上，而且是在其长度尺度上。在这种高度集中的合金中，堆垛层错能(SFE)不是单值属性，而是在空间上随位置变化。接着，有意波动成分以扩大SFE价差，使之形成异常崎岖的景观以抵抗位错运动，导致位错运动缓慢并在应变时促进位错堵塞。这提高了流动应力和加工硬化率。同时，由于需要激活捕获的位错段，应变率敏感性也增加了。因此，此机制同时赋予了额外的应变硬化和应变率硬化，因此在超高流动应力下保持了拉伸延展性。近等原子NiCo固溶体是通过电化学沉积产生的，这是一种自下而上且对工业友好的方法，可以合成多种纳米材料，这种非平衡样品制备路线有利于成分调整。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，这是与浓溶液合金电沉积相关的典型生长织构。晶粒尺寸跨越范围约为26 nm（图1c）。大多数晶粒被高角度GB隔开。使用原子探针断层扫描 (APT) 进行的定量化学分析表明，整体的整体成分约为50-at% Co。图1d显示了来自典型AP数据集的三维(3D)断层扫描重建，揭示了整个沉积样品中Ni浓度的空间变化。浓度波动似乎在全局或标称成分周围的±10 at%范围内。详细的APT 分析表明，成分不均匀性和GB之间没有明显的相关性。相反，每个纳米晶粒都包含不同组成的亚晶粒区域（图1e，f）。此外，Ni和Co等浓度表面的近似分析（图1h) 揭示了在富Ni（Ni浓度高达约61 at%）和Co富集（Co 浓度高达约60 at%）区域之间的边界上的相对急剧的成分变化。图1：电沉积 NC NiCo 合金中的纳米级成分不均匀性。
图2a显示了工程应力-应变曲线。它们显示出高达约1.6 GPa的屈服强度(σy)和高达约2.3 GPa的极限抗拉强度( σUTS )，同时具有良好的延展性，拉伸断裂伸长率约为14-16%。样品显示剪切断裂和正常拉伸断裂的混合，具有颈缩和凹坑断裂表面，这是韧性fcc材料的特征。目前的NC NiCo合金的拉伸性能与以前的NC金属相比，而且与电沉积的浓缩固溶体相比，都非常突出（图2b）。在任何给定应变下，NC NiCo的应变硬化率（图2c）明显高于NC Ni、NC Co和ML NiCo合金，这有助于延缓塑性不稳定性。达到峰值应力后，在应力-应变曲线上可以识别出具有恒定流动应力和位错密度的准稳态（图2d），这表明晶粒内部的位错积累速率现在被动态恢复所抵消，可以通过GB介导的缺陷恢复。图 2：NC NiCo 合金在室温下的出色强度-延展性组合。
透射电子显微镜（TEM）观察还揭示了纳米晶粒内部的显着位错存储，包括部分位错，以及未解离和解离的全位错。解离距离从几纳米到几十纳米不等如（图3a-d所示）。重要的是，非解离和解离全位错的位错相互作用在变形体积中产生了许多Lomer锁和 Lomer-Cottrell (L-C)锁（图3d-f）。图 3：在拉伸试验后观察到的NiCo中储存的位错。
为了探究成分波动对位错迁移率的影响，作者在Ni50Co50模型中引入了成分变化的准3D网络，以与“均质”NiCo参考进行比较（图4a、b）。位错滑动面的成分变化达到±10 at%，接近实验中观察到的变化（图1h）。当Co浓度从60 at% 变为 40 at% 时，模型合金中的FE在空间上会发生显着变化，SFE 将增加多达81%，即约28.6 mJ m -2（图4c），这解释了为什么堆垛层错的宽度跨越如此宽的范围。进一步探索了成分波动如何影响位错运动，通过监测在120 MPa的剪切应力下<110>/2解离边缘位错的移动距离随时间的变化，如图4d所示。同时还构建了一个取向相同但成分可区分的“双晶”模型，其中边缘位错从 Ni60Co40侧移动到Ni40Co60侧（图4e），当边缘位错（绿色）滑过成分边界时，它会在短距离内减速，直到在新的成分环境中再次恢复稳定速度。图 4：成分不均匀性的原子模拟及其对 NiCo 合金中位错动力学的影响。
总的来说，在这里证明了纳米晶镍钴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%的断裂伸长率，具有可观的延展性。这种不寻常的抗拉强度和延展性结合是通过高浓度固溶体中的成分波动来实现的。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，从而显着影响位错的运动。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，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，因此应变率敏感性增加，这也稳定了拉伸流动。从长远来看，原本平淡无奇的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，此工作扩展了冶金设计的方案，并为在强度延展性空间中探索迄今为止未知的领域提供了机会。Li, H., Zong, H., Li, S. et al. Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation. Nature 604,273–279 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-04459-w
