Science： 原子缺陷引發了梯度晶胞結構合金在極低溫下的卓越應變硬化

01. 導讀

應變硬化，也稱為加工硬化，可以追溯到青銅時代，是最早廣泛使用的增強金屬材料的策略之一。傳統上，應變硬化是由于晶體晶格中典型的線性缺陷，即位錯，以及它們之間的相互作用數量顯著增加而產生的，這反過來傾向于降低位錯的遷移性。因此，必須施加更大的應力，以便可以發生額外的變形。一般來說，軟的粗晶粒（CG）金屬由于有豐富的空間和最大的自由位錯移動和存儲路徑，因此具有最高的應變硬化和最好的拉伸延性。晶體固體中的位錯相互作用導致局部的位錯糾纏，最終形成了三維位錯網絡結構（即細胞壁），進一步的變形變得困難。特別是，本質上是熱輔助的位錯恢復和消滅過程逐漸接管，導致在微米或亞微米尺度上的亞結構和隨著應變增加而普遍下降的硬化速率。

在高強度材料中，應變硬化的降低更加明顯。傳統的強化方法，無論是通過改變成分還是修改分層微觀結構，都不可避免地建立在通過在晶體晶格中引入各種缺陷來阻止位錯運動的基本原理上，但這不可避免地降低了應變硬化能力。例如，包含大量晶界（GBs）的納米結構金屬材料和含有高密度位錯的嚴重變形材料具有極高的強度，但表現出顯著降低的應變硬化和有限的均勻延展性，甚至只有幾個百分點。應變硬化是必不可少的，因為它有效地分散了流動應變，增強了拉伸延性，抑制了嚴重的機械破壞。然而，在過去的一個世紀里，高強度金屬材料的應變硬化顯著提高一直是材料科學中最棘手的問題之一。

大幅降低變形溫度會顯著提高應變硬化，主要是由于增強的位錯活性，例如降低的動態恢復和/或消除以及相應的增加各種材料的位錯儲存速率。通過這種方式改善應變硬化時，形變孿晶和相變可能在低溫下充當晶體塑性的次要載體。這種情況對于傳統的低堆垛故障能（SFEs）的單主元素合金以及最近開發的高至中熵或多主元素（MPE）合金系統尤其重要。新形成界面與位錯之間的動態相互作用有助于在一定應變范圍內實現合理的應變硬化能力。從本質上講，位錯仍然被認為是在低溫下所有金屬材料的塑性變形中起主導作用的因素。以前的研究表明，工程上的空間異質納米結構，包括梯度、雙模晶粒尺寸、多相等，與均勻組分相比可以表現出額外的應變硬化，因為大的塑性應變不兼容性引發了幾何上必要位錯的額外活動。然而，由于應變梯度引起的硬化趨勢通常只在小的塑性應變階段（<5%）保持，并且即使在低溫下也會在大應變下減小。

02. 成果掠影

鑒于此，中國科學院金屬研究所盧磊研究員和美國橡樹嶺國家實驗室合作研究發現，通過循環扭轉可以在室溫下引發單相Al_0.1CoCrFeNi MPE合金中的梯度超細位錯晶胞結構（GDS），這些結構激活了大規模的平行堆垛故障（SFs），從而賦予了合金高強度和相當的拉伸塑性。受此啟發，我們探討了這種GDS是否能夠在低溫下有效觸發堆垛故障，以改善高強度下的應變硬化。與發展平行SFs不同，我們觀察到從最初的位錯線開始，出現了多方向、極細的平面SFs的廣泛增殖，這導致了逐漸向微小的納米晶粒層次結構的結構細化。除了傳統位錯的形成外，這種納米晶粒結構還促使了卓越的應變硬化，甚至在低溫下超過了其粗晶材料的同類材料。在塑性變形中，原子尺度的平面變形故障占主導地位，為增強和硬化金屬材料引入了一種不同的方法，提供了有前途的性能和潛在應用。相關研究成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”為題，發表在頂級期刊《Science》上。

03. 核心創新點

本文的核心創新點是在低溫下使用循環扭轉方法創建了一種梯度超細位錯晶胞結構（GDS），并發現這種結構能夠在室溫下激活大規模平行的堆垛故障（SFs），從而提高了合金的強度和塑性。這種GDS結構與傳統的平行SFs不同，它引發了多方位、極細的平面SFs的廣泛增殖，從最初的細胞壁開始，逐漸細化為微小的馬賽克層次結構。這種創新的結構設計和發現提供了一種新的方法來改善金屬材料的應變硬化，尤其在高強度和低溫條件下，為開發更強和更具韌性的材料提供了新的思路。這對于一系列低溫應用，如深空和海洋探索、液化天然氣儲存以及低溫物理等，具有重要的潛在應用價值。

04. 數據概覽

圖1. 梯度位錯結構（GDS）合金的典型微觀結構。 (A) GDS條形試樣的圖像，試樣的規格部分經過循環扭轉加工處理。(B) 橫截面示意圖顯示了從表面（深藍色）到核心（淺灰色）的樣品級別的GDS結構。(C) GDS管狀試樣規格截面的三維X射線斷層掃描重建圖（厚度約0.45 mm）。 (D和E) 顯示GDS合金的橫截面EBSD圖像，展示了在距離表面1.0毫米深度范圍內的晶粒尺度形態、取向（D）以及三種不同錯配角定義的界面分布（E）。 在(D)中白色方塊位置的明場TEM圖像（F和G）和核心位置的TEM圖像（H），顯示了分層的GDS結構。 (F-H) 中的插圖是相應的選定區域電子衍射圖案（SAEDs）。

圖2. GDS合金在77 K下的應變硬化和強度-韌性組合。拉伸工程（A）和真實（B）應力-應變曲線分別在293 K和77 K下顯示了GDS、表面GDS和CG樣本。相應的應變硬化率和真實應變關系（C），以及通過流動應力和真實應力歸一化的應變硬化率關系（D）。 （E）GDS合金的強度和韌性協同作用，與其他在低溫下性能優異的材料進行比較。誤差線代表來自3個以上獨立拉伸試驗的標準偏差。 DC和UFG分別表示位錯晶胞和超細晶粒；HGS表示異質晶粒結構。

圖3. 在77 K下拉伸過程中GDS表面層的微觀結構演變。橫截面SEM圖像（A），GDS表面層在3%拉伸應變時的明場TEM（B）圖像，顯示了在最頂層的多個位錯晶胞模式之間，不同{111}滑移平面上存在兩組SF束（由白色箭頭指示）。 （A）中帶有雙箭頭的白色線表示加載軸（LA）。 （B）中的相應SAED圖案包含來自SF的兩組平行條紋（分別沿兩個[111]方向，由白色箭頭標注）。 （C）從一個SF中獲取的像差校正掃描透射電子顯微鏡高角暗場（STEM-HAADF）圖像，顯示了SF和TB的極高密度。GDS表面層在40%拉伸應變時的橫截面SEM圖像（D和E），顯示了一個含有更密集的相互傾斜平面界面的晶粒的示例（用白色虛線標出）。 （F）STEM-HAADF圖像顯示了一個晶粒內的大量納米晶粒。左下角的插圖是相應的SAED圖案。 （G）原子分辨HAADF-STEM圖像顯示了一個典型的示例，其中包含了大小約為10納米的幾個微小的晶粒（以紅色虛線曲線示意），這些晶粒包含不同{111}滑移平面上的原子尺度SF。紅色數字表示相鄰的SFed之間的界面錯配角度。 （H）示意圖說明了在77 K的拉伸實驗中通過形成大量納米晶實現的初始位錯晶胞結構的動態結構細化過程。

圖4. GDS和CG合金在77 K下拉伸后的SF概率和位錯密度演變。通過在SXRD光譜上進行擴展的常規整體譜擬合（eCMWP）分析確定，GDS和CG（拉伸應變3%和40%）樣品在293 K和77 K下，從最頂層到核心的SF概率（A）和完整位錯密度（B）的演變。 293 K下3%變形的GDS樣品中的SF概率太低，無法提取。

05. 成果啟示

我們的實驗觀察結果指向了一種不尋常的應變硬化機制，該機制在低溫下由于形成了極為精細的SFed晶粒而能夠迅速觸發，使得單一FCC相梯度位錯結構的MPE合金具有前所未有的高應變硬化能力，甚至超過了其粗晶對應物。這種在低溫下引發的動態SFed晶粒誘導的應變硬化機制與我們之前在室溫下觀察到的SF誘導塑性以及GDS合金在室溫下的卓越強度和韌性的結果相呼應。顯然，晶體晶格中支配性的原子尺度平面變形故障活動不僅是晶體塑性的另一種基本載體，還與線性位錯相比誘導了強大的應變硬化。梯度位錯結構和納米級SF晶粒的特征對于從物理冶金角度理解基本的應變硬化機制非常重要，并為開發強韌材料提供了不同的范例，特別是在廣泛的低溫應用領域，如深空和海洋探索、液化天然氣儲存、低溫物理等。

原文詳情：

Qingsong Pan et al.Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy.Science,eadj3974DOI:10.1126/science.adj3974

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