摘要：近年来，金属材料在极端低温环境下的机械性能退化问题，严重制约了低温基础设施的发展。尽管传统沉淀强化手段可有效提升合金强度，但其在低温下往往以牺牲延展性为代价，主要原因是析出物与基体界面处易形成位错堆积和高应力集中，从而诱发早期损伤。虽然共格析出相（如面心立方材
近年来，金属材料在极端低温环境下的机械性能退化问题，严重制约了低温基础设施的发展。尽管传统沉淀强化手段可有效提升合金强度，但其在低温下往往以牺牲延展性为代价，主要原因是析出物与基体界面处易形成位错堆积和高应力集中，从而诱发早期损伤。虽然共格析出相（如面心立方材料中的L1₂长程有序相）因界面能较低可在一定程度上缓解这一问题，但随着析出相尺寸增大，仍会引发强烈的异质应力场，限制位错运动，导致材料脆化。相比之下，亚纳米尺度的化学短程有序（SRO）结构因其高度分散、均匀分布的特性，在抑制位错滑移、降低应力集中方面展现出潜力，但其对应变硬化能力的贡献有限。这一强度与塑性的不匹配问题，促使研究者寻求新的微观结构设计策略，以实现低温环境下高强度与高韧性的协同提升。
基于此，华东理工大学涂善东院士、张显程教授和德国马克斯普朗克可持续材料研究所Dierk Raabe教授合作提出了一种双尺度化学有序纳米结构设计策略，通过在CoNiV基合金中同时引入高密度的亚纳米短程有序（SRO）域和纳米长程有序（NLRO）域，显著提升了材料在低温下的综合力学性能。该合金在87 K条件下表现出约1.2 GPa的屈服强度和42.6%的断裂应变，其强度–延伸率乘积高达76 GPa%，远超目前已知的多种低温结构材料。研究进一步揭示了双尺度有序结构通过协同调控位错滑移阻力与增殖速率，实现了强度与塑性的同步提升，为开发高性能低温金属材料提供了新思路。相关研究成果以题为“Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys”发表在最新一期《nature》上，第一作者为Lu Tiwen, Sun Binhan。
【双尺度有序结构的形成与表征】
研究团队在Co₃₂Ni₃₂V₃₂Al₂Ti₂（at%）合金中通过热力学调控的固溶与时效处理，成功在面心立方（fcc）基体中同时构建了SRO和NLRO两种有序结构。如图1a所示，合金具有均匀的再结晶晶粒结构（平均晶粒尺寸11.2 ± 1.3 μm）。图1b的暗场透射电镜（DF-TEM）图像显示，NLRO域的数密度高达约4.5 × 10²⁵ m⁻³，平均尺寸为1.6 ± 0.7 nm。中子衍射分析（图1c）表明L1₂结构体积分数为13.7%。原子探针断层扫描（APT）进一步揭示NLRO域中Ti和Ni元素的富集（图1d）。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像（图1e–f）及其傅里叶变换（FFT）显示存在L1₂衍射斑点与弥散的1/2[311]衍射信号，后者对应L1₁型SRO结构。逆傅里叶变换（IFFT）图像（图1g–h）直观展示了SRO与NLRO域的共存状态，其中S域尺寸仅为0.6 ± 0.2 nm，数密度高达2.4 × 10²⁶ m⁻³（图1i）。这种高密度、双尺度的有序结构有效限制了位错平均自由程，提升了临界分切应力。
图 1. CoNiV-AlTi 样品的微观结构和双尺度化学排序
【低温力学性能表现】
在87 K低温拉伸实验中，双尺度有序结构的CoNiV-AlTi合金表现出优异的强塑性匹配（图2a）。其强度–延伸率乘积显著高于其他参考合金（图2b）， fracture toughness 也达到338.4 MPa·m⁰.⁵（Extended Data Fig. 3）。通过对比不同热处理状态的样品（包括仅含SRO的CoNiV(SSA)、无有序结构的CoNiV(SS)和CoNiV-AlTi(SS)以及含大尺寸L1₂析出相的过时效样品），研究发现SRO域可提升屈服强度约140 MPa，但对应变硬化能力影响有限；而NLRO域除提供约167 MPa的强度增益外，还显著提升了应变硬化率（约1000 MPa），这是维持高塑性的关键。过时效样品因析出相尺寸增大（~25 nm）、晶格错配度升高（0.15%），导致界面应力集中加剧，延展性急剧下降至22%（图2a,d）。
图 2. 所研究合金在 87 K 下的低温拉伸性能
【位错行为与应变硬化机制】
为进一步揭示NLRO域对应变硬化机制的贡献，研究团队对不同应变下的变形亚结构进行了系统表征。在6%应变时，合金中形成大量堆垛层错（SFs），NLRO域在位错滑移带之间保持结构完整（图3a–b）。应变场分析显示，SFs与NLRO域交互作用处存在高弹性应变集中（图3c–d），表明NLRO对位错运动具有阻碍作用。在15%应变时，滑移带之间出现大量非平面位错和位错环（图3e–f），这些位错源于NLRO域对领先不全位错的钉扎，促使位错重组、双交滑移和新位错环形核（图3g–h）。随着应变增至30%，位错密度显著升高，形成高密度位错网络（图3i–j）。位错密度演变曲线（图3k）显示，含NLRO的样品位错增殖速率更高，符合Taylor硬化模型预测，进一步验证了NLRO域通过促进位错增殖提升应变硬化能力的机制。
图 3. CoNiV-AlTi 合金的典型变形亚结构
【温度依赖性】
研究还评估了温度对双尺度有序结构强化效果的影响。随着温度升高，NLRO域与位错之间的交互作用减弱，应变硬化能力显著下降（图4a–b）。在室温下，合金变形机制由平面滑移转变为波状滑移（图4c），位错增殖行为与无序样品趋于一致（图4d）。这表明双尺度有序结构的强化效果高度依赖于温度、堆垛层错能及位错滑移模式，为其在特定低温场景中的应用提供了理论依据。
图 4. 含有不同有序结构的样品（CoNiV-AlTi、CoNiV(SS) 和 CoNiV(SSA) 样品）的温度相关机械行为
【总结与展望】
本研究通过双尺度化学有序结构设计，成功实现了CoNiV基合金在低温环境下强度与塑性的协同提升。该策略通过调控位错运动与增殖行为，克服了传统沉淀强化材料在低温下的脆性问题，为开发适用于极端环境的高性能金属材料提供了新途径。研究团队进一步在NiCrFe基和CoCrNi基中熵合金中验证了该策略的普适性，展现出广泛的应用前景。这项工作拓展了金属材料微观结构设计的工具箱，为未来低温材料的发展指明了方向。
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来源：薛定谔的科学杂谈