Ni50Co50合金中由納米尺度晶粒（a、b、c）和晶內多尺度成分起伏（d、e、f）構成的復合納米結構。 成分起伏呈三維網絡分布（g），且不同成分的區域之間由“成分邊界”分隔開來（h）；（i）Ni50Co50合金的拉伸工程應力應變曲線，圖中還給出了納米晶Ni、納米晶Co和多層納米結構NiCo合金在相同應變速率下的拉伸曲線作為參考和對比；（j）納米晶金屬材料屈服強度-強塑積關系圖，在不同應變速率下測得的不同批次的納米晶Ni50Co50合金的性能用紅色五角星表示。 論文作者供圖
當金屬材料內部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強度將依Hall-Petch關系大幅度提高。但當納米晶金屬塑性變形時,位錯變得極難在如此小的晶粒內部保留下來，導致材料喪失應變硬化能力，很容易發生塑性變形局域化而失穩。近期，由吉林大學、西安交通大學、悉尼大學、南京理工大學組成的研究團隊，對超高強納米金屬的應變硬化提出了一種新的機制，并依此路徑設計了新穎的高性能合金。
其相關研究成果于4月13日在Nature上在線發表。
據了解，該聯合研究團隊以鎳鈷（NiCo）合金作為模型材料，利用脈沖電沉積工藝，在面心立方單相雙主元固溶體合金中構筑出了由納米晶粒（晶粒尺寸26 納米）及其內部多尺度成分起伏（1-10 納米）組成的復合納米結構。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯能和晶格應變場的明顯起伏，其發生的空間尺度恰能有效地與位錯交互作用，從而改變了位錯動力學行為，使位錯運動呈現出遲滯、間歇、纏結的特征，促使其在納米晶粒內部有效增殖存儲，提高了材料的應變硬化能力。另一方面，由于位錯線不再平直均勻前行，而是粘滯滑移，一段段地“納米片段脫捕”，這一激活過程提高了位錯運動的應變速率敏感性，提升了應變速率硬化能力。
西安交大的論文作者介紹，在應變硬化與應變速率硬化的共同作用下，該納米合金在超高流變應力水平上展現出獨特的強度與塑性的優化配置，達到了單相面心立方金屬，也包括傳統的溶劑—溶質固溶體前所未有的新高度：材料的屈服強度達到1.6 GPa，最高拉伸強度接近2.3 GPa，拉伸斷裂應變可達16%。要實現這樣的強塑性，過去要靠超高強鋼，但后者均為復雜多相、且易發生呂德斯帶形變和韌脆轉變。
該研究中展示的是一種基于納米尺度（1-10 納米）明顯成分起伏與運動位錯間相互作用的強化機制，不同于基于原子半徑差的傳統固溶強化—即單個溶質原子與位錯應力場間的相互作用。通過選擇合適的合金體系或制備工藝，這一結構-成分復合調控理念可望為新型合金材料的設計與開發開辟新的思路。
據了解，該工作由多個研究小組通力合作完成。吉林大學副教授韓雙、西安交通大學教授丁向東和中國科學院院士、西安交通大學教授孫軍共同提出了項目構想并指導團隊實施了相關合金制備、力學性能實驗與分子動力學數值模擬等方案。西安交通大學馬恩教授凝練了核心科學問題并主導了對結果的理解和論文的撰寫。該研究的電子顯微分析工作由悉尼大學廖曉舟教授領導的科研團隊完成。南京理工大學沙剛教授團隊通過原子探針分析揭示了多尺度成分起伏的存在，主要計算模擬工作在網信中心校級高性能計算平臺上完成。該研究得到國家自然科學基金、創新引智111計劃2.0項目、澳大利亞研究理事會、國家留學基金委員會和吉林省科技發展計劃項目的資助。
