摘要：大多数合金及其微观结构在过去几十年中已经开发出来，以在室温和高温下提供所需的力学性能。然而，尽管在这一领域成本限制不太严格，但用于高强度和耐损伤低温应用的材料选择却较少。例如，沉淀硬化一直是提高合金强度的最成功策略之一，通过阻碍位错运动，从而需要更高的载荷来维
【导读】
大多数合金及其微观结构在过去几十年中已经开发出来，以在室温和高温下提供所需的力学性能。然而，尽管在这一领域成本限制不太严格，但用于高强度和耐损伤低温应用的材料选择却较少。例如，沉淀硬化一直是提高合金强度的最成功策略之一，通过阻碍位错运动，从而需要更高的载荷来维持塑性变形。然而，在低温条件下，由于在沉淀相-基体界面处形成位错塞和高应力集中，这种方法以牺牲延展性为代价，这两个特征都促进了这些部位的损伤起始。在某些面心立方（fcc）材料中形成共格沉淀物可以在一定程度上减少损伤起始倾向，因为与非共格和半共格界面相比，其界面能较低。然而，由于反相边界能高以及围绕它们形成的位错环阻碍了随后的位错运动，当这些沉淀物在长时间时效后尺寸足够大时，仍然可以发展出强烈的异质应力场。与这些已建立的硬化机制及其在传统稀薄合金中已知的固有缺点相比，亚纳米尺度化学短程有序（SRO）特征对力学性能的影响尚未被充分理解。这些原子排序团簇似乎在一些中熵合金和高熵合金（MEAs和HEAs）中形成，这是由于组成元素之间的局部焓相互作用与这些合金基于的熵主导的固溶体之间的微妙相互作用。高度分散且均匀分布的SRO区域，以及它们对位错滑移的抑制作用以及相关的低应力和应变不均匀性，结果证明是低温下理想的强化机制，但潜在的强化机制及其可调性至今仍不清楚。
02
【成果掠影】
在此，华东理工大学张显程教授和德国马克思普朗克可持续材料研究所Dierk Raabe院士等人（共同通讯作者）在基于CoNiV的合金中引入了一种双尺度原子排序纳米结构，该结构以极高的数量密度的（约2.4×1026 m-3）亚纳米尺度短程有序和（约4.5×1025 m-3）纳米尺度长程有序域为特征，这些有序域共存于金属固溶体基体中，以改善低温下的强度和延展性的协同作用。结果显示，由于纳米尺度长程有序的位错阻挡效应以及由此产生的新位错，使得位错剪切应力增加以及位错增殖速度加快。后一种效应还释放了纳米尺度长程有序障碍物处的应力集中，否则这些应力集中会促进损伤的起始和失效。因此，该合金在87 K时展现出约1.2 GPa的屈服强度和76 GPa%的强度-延伸率乘积，优于缺乏这种有序层次结构的材料，这些材料仅包含短程有序或几十纳米尺寸的共格沉淀物。本文的结果突出了双共存化学有序对复杂合金力学性能的影响，并为控制这些有序状态以增强其低温应用的力学性能提供了指导。
相关研究成果以“Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys”为题发表在Nature上。
03
【核心创新点】
1、在基于CoNiV的合金中实现了纳米结构设计策略，其组成为Co32Ni32V32Al2Ti2（原子百分比）。钒（V）与钴（Co）和镍（Ni）之间的焓相互作用，以及它们在原子尺寸和剪切模量上的显著不匹配，促进了局部化学短程有序的形成。
2、纳米尺度长程有序的位错阻挡效应以及由此产生的新位错，使得位错剪切应力增加以及位错增殖速度加快，且后一种效应还释放了纳米尺度长程有序障碍物处的应力集中。
04
【数据概览】
图1、本文CoNiV-AlTi样品的微观结构和双尺度化学有序。
图2、研究合金在87 K时的低温拉伸性能。
图3、CoNiV-AlTi合金的典型变形亚结构。
图4、含有不同有序结构的样品（CoNiV-AlTi、CoNiV(SS)和CoNiV(SSA)）的温度依赖性力学行为。
05
【成果启示】
综上所述，作者表明双尺度短程到长程化学有序策略可以显著改善金属合金在低温下的力学性能。这两种有序结构限制了位错的平均自由程，并在低温下提供更高的摩擦应力（赋予强度）和更快的位错增殖率（增强应变硬化能力），与没有这种有序层次结构的参考样品相比。这种（亚）纳米尺度微观结构策略与广泛采用的沉淀硬化方法不同，后者会产生局部应力峰值，可能导致损伤起始。还在基于NiCrFe和CoCrNi的中熵合金（MEAs）中验证了双尺度化学有序方法在改善低温强度-延展性协同作用方面的有效性，证明了概念的普遍性。因此，本文的工作扩展了微观结构设计，弥补了此前缺乏使合金能够承受恶劣低温环境的有效手段。
文献链接：“Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties inCoNiV-based alloys”（Nature，2024，10.1038/s41586-025-09458-1）
本文由CYM供稿。
来源：新浪财经