本文介绍了一项关于高强度合金的研究，题为《通过短程有序界面和超纳米析出物实现2.6 GPa合金的增韧》。该研究由Yong-Qiang Yan、Wen-Hao Cha、Sida Liu、Yan Ma、Jun-Hua Luan、Ziyuan Rao、Chang Liu、Zhi-Wei Shan、Jian Lu和Ge Wu等作者共同完成，发表于2025年1月24日的《Science》期刊上。研究团队来自西安交通大学、德国亚琛工业大学、荷兰代尔夫特理工大学、香港城市大学等多个机构。
高强度和高延展性是结构材料的重要性能指标，然而，随着强度的提升，合金的应变硬化能力通常会下降，导致均匀延伸率降低。传统的晶粒细化方法虽然可以提高强度，但纳米级晶粒的过度细化会显著降低材料的延展性。为了解决这一问题，研究团队提出了一种新的合金设计策略，通过在晶界区域引入短程有序（short-range ordering, SRO）结构，并在晶粒内部引入超纳米（<10纳米）析出物，以实现高强度和高延展性的平衡。
合金设计与制备
研究团队设计了一种基于钒（V）、钴（Co）和镍（Ni）的双相合金，并添加了钨（W）、铜（Cu）、铝（Al）和硼（B）等元素。通过热轧和热处理工艺，合金的晶粒尺寸被细化至1微米左右，形成了面心立方（face-centered cubic, FCC）和体心立方（body-centered cubic, BCC）双相结构。FCC相占主导地位，面积分数为78.7%。
微观结构与成分分析
通过电子背散射衍射（EBSD）和原子探针断层扫描（APT）等技术，研究团队对合金的微观结构和成分进行了详细分析。结果表明，FCC相中存在短程有序结构和超纳米L12（S-L12）析出物。SRO主要分布在晶界附近，而S-L12析出物则均匀分布在晶粒内部。
力学性能测试
研究团队对合金进行了拉伸测试，结果显示，经过热处理的合金（SS-alloy）在2.6 GPa的拉伸应力下实现了10%的均匀延伸率。通过原位同步辐射X射线衍射（synchrotron X-ray diffraction）和透射电子显微镜（TEM）观察，研究团队发现，S-L12析出物在塑性变形过程中对位错和堆垛层错（stacking faults, SFs）具有更强的钉扎效应，促进了位错的增殖和积累，从而提高了应变硬化率。
变形机制研究
通过TEM和分子动力学（MD）模拟，研究团队揭示了合金的变形机制。在塑性变形过程中，SRO在晶界附近发生有序到无序的转变，缓解了晶界区域的应力集中，从而抑制了裂纹的产生。同时，S-L12析出物在晶粒内部阻碍了位错和堆垛层错的运动，进一步提高了材料的应变硬化能力。
高强度与高延展性的平衡
研究团队通过引入SRO和S-L12析出物，成功实现了2.6 GPa的高强度和10%的均匀延伸率。这一结果表明，通过合理的微观结构设计，可以在不牺牲延展性的情况下显著提高合金的强度。
短程有序界面的作用
SRO在晶界附近的分布提高了材料的屈服强度，同时通过有序到无序的转变缓解了晶界区域的应力集中，从而提高了材料的延展性。
超纳米析出物的强化机制
S-L12析出物在晶粒内部对位错和堆垛层错具有更强的钉扎效应，促进了位错的增殖和积累，从而提高了材料的应变硬化能力。
本研究提出了一种通过短程有序界面和超纳米析出物实现高强度合金增韧的新策略。通过合理设计合金的微观结构，研究团队成功实现了2.6 GPa的高强度和10%的均匀延伸率。这一成果为开发兼具高强度和良好延展性的结构材料提供了新的思路。
创新的合金设计策略
通过在晶界区域引入短程有序结构，并在晶粒内部引入超纳米析出物，研究团队成功实现了高强度和高延展性的平衡。
先进的实验与模拟技术
研究团队采用了多种先进的实验技术，如EBSD、APT、TEM和同步辐射X射线衍射，并结合分子动力学模拟，深入揭示了合金的微观结构和变形机制。
重要的应用价值
该研究为开发高性能结构材料提供了新的思路，具有广泛的应用前景，特别是在航空航天、汽车制造和能源领域。
研究团队还发现，在塑性变形过程中，BCC相会部分转变为FCC相，这一现象进一步提高了材料的延展性。此外，研究团队通过对比实验验证了硼化物纳米颗粒对合金强度和延展性的贡献。
本研究通过创新的合金设计策略和先进的实验技术，成功实现了高强度和高延展性的平衡，为结构材料的开发提供了重要的理论和实践指导。