金属领域突破性进展：两月2篇Science，6篇Nature和Science子刊

金属材料是人类研究最多，应用最广泛的材料，对其开发应用已经有几千年的历史。结合现代物理和化学等学科，经过最近两个多世纪的研究，金属材料的理论已经建立起来。但是人类的认识是无上限的，即使再成熟的材料，也有应用的难题以及未解决的科学问题。近几年来，生物，化学，能源等学科发展迅猛，在顶刊上大放异彩，不断刷新着人们的认识。传统金属材料则表现平平，相对默默无闻，在顶刊出现的几率非常小。但是自9月份以来，金属材料似乎也进行了一波爆发，研究取得了突破性进展，不断地问鼎Science以及Nature和Science子刊。笔者在这里梳理了这些突破性进展，就让我们来领略一下吧！

1.《Nature Materials》重大突破：追根溯源！原子角度揭示金属硬化机理

人们对金属硬化的理论解释是位错密度的增加导致加工硬化。尽管位错和晶体塑性之间的直接因果关系现在已经建立起来，但没有定量理论存在从晶格位错的潜在行为来预测金属硬化。最困难的是一直无法观察位错在应变过程中发生了什么。美国斯坦福大学Rodrigo Freitas & Vasily V. Bulatov团队用一台超级计算机来澄清是什么导致了金属硬化。其模拟实验证明了单个原子的运动如何转换为位错的运动，然后合起来产生金属硬化，发现了阶段性硬化是晶体旋转的直接表现。这并非传统位错理论的潜在机制中推导出硬化。在模拟过程中，他们发现硬化是晶体旋转的直接表现。应力-应变曲线形状的特征变化直接归因于应变过程中晶体旋转的发生。在应变作用下旋转的五个晶体中观察到三阶段硬化，而在三个不旋转的晶体的曲线中观察到没有弯曲的抛物线形硬化。三个阶段的硬化不是材料固有的特性，而是在标准单轴测试中对样品施加的同轴度约束的运动学结果。因此，寻求以某种方式从一个硬化阶段转换到另一个硬化阶段的位错机制中的阶段性硬化的解释几乎没有意义。

图1 沿应变轴的七个不同初始方向承受拉伸应变的单个铝晶体的应力应变响应a，从MD模拟中提取的应力应变响应。b，在单晶铜的拉伸应变测试中获得的相应的实验应力-应变曲线^[1]

2.西安交大《Science》子刊：超细层状合金实现室温韧脆转变！

Fe-Al合金具有重量轻，强度高，耐磨损性和耐腐蚀性的完美结合，这使它们成为在极端环境下使用的大块结构和保护涂层的主要候选材料。但是，Fe-Al合金中重量较轻的成分在室温下脆性大。提高Fe-Al合金力学性能的一种方法是通过引入高密度的双相界面。纳米层状金属中的双相界面可以作为位错的来源，通过与其他位错和缺陷的相互作用，从本质上改善材料的性能。纳米层使得室温强度提高了5- 10倍，特别是当片层间距减小到纳米级(< 200nm)时。然而，这些强度的提高往往伴随着塑性的降低。

西安交通大学微纳中心韩卫忠教授课题组制备了室温下具备良好塑性变形能力的交替FeAl / FeAl₂层轻质共析Fe-Al合金，每层片层间距为2.5μm~259 nm之间。研究表明，低于1μm的临界双层厚度，FeAl₂相会从典型的局部、不稳定的裂纹急剧变化为均匀且稳定的流动，实现从脆性到延性的过渡。

图2 （A）Fe-Al相图。红色虚线表示这项工作中的合金成分。（B）具有FeAl和FeAl 2相的FeAl合金的典型扫描电子显微镜（SEM）显微照片。（C）具有层状形态的FeAl合金的典型SEM图像，其中亮相为FeAl 2，暗相为FeAl。（D）FeAl和FeAl 2的晶体结构。（E）层状FeAl2 / FeAl的典型TEM显微照片。（F）层状FeAl / FeAl2合金的选择区域电子衍射图^[2]

3.《Nature Materials》原来如此！电流为什么能提高金属的塑性？

强烈的外部刺激可能会显著改变金属的变形行为，当在变形期间经受周期性的电脉冲，许多金属和合金显示延展性急剧增加。因此“电塑性”成形在经济上具有吸引力，并已被用于增强合金钛、铝、镁、锆和钢的成形性。脉冲电流的施加可以改变微结构。虽然电塑性已经在实验上得到了很好的证实，但其潜在的机制还不清楚。

美国加州大学柏克莱分校材料科学与工程系Andrew M. Minor教授团队研究了钛铝合金的电塑性。作者在以下三种条件下进行了Ti-7Al的拉伸测试：（1）无电流（室温下）；（2）脉冲电流，幅值0.5*10³A cm^-2，脉冲持续时间100 ms；（3）0.5*10³ A cm^-2的连续电流。研究发现脉冲电流的应用可以极大地改变缺陷的结构，从局部平面滑移过渡到均匀波滑移。这种在微观结构中的急剧转变在提高材料的延性方面产生了有益的效果。宏观电塑性源于缺陷层的微观结构重构，临界电塑性阈值可能远低于临界电流流动应力的下降。由于该机制通过改变变形过程中的位错模式来提高强度和延伸率，因此预计该机制仅适用于延性受变形模式限制的材料。

图3预变形至工程应变5％的样品的位错形态比较。a，室温下拉伸变形样品的明场TEM显微照片显示了平面滑移结构。b，从[0001]区域轴成像的位错网络。c，d，样品在电脉冲作用下变形的明场TEM显微照片，显示出相对更均匀的位错分布^[3]。

4.《Science》子刊：新发现！难熔高熵合金独特的弹塑性变形行为！

对于高熵合金，通过增加构型熵使吉布斯自由能最小化，导致形成单相或多相固溶体。具有不同原子半径的多个元素的随机分布导致晶格严重扭曲。继而有助于较好的力学性能，例如高硬度、强度、延展性以及在室温（RT）和高温下的抗软化性。

美国田纳西大学联合台湾国立交通大学、美国国家能源技术实验室和橡树岭国家实验室等六所顶级研究机构首次使用原位中子实验研究了NbTaTiV BCC难熔HEA在室温和高温下的弹性和塑性变形行为。所测的变形行为与传统的BCC合金的不同之处表现为：1) 晶格应变演化和测得的衍射弹性模量表明了室温下的弹性各向同性行为; 2)该材料在高温下缺乏较强的温度依赖性弹性各向异性变形行为；3）该文作者进一步使用中子衍射扩峰模型研究了可移动位错的类型，并HAADF-STEM技术进行了实验验证。研究发现塑性变形过程中可移动位错的主要类型是刃位错。中子衍射的结果和微观结构的表征表明，在高达900°C的温度下，BCC单相稳定性极佳。此外，本合金具有高的屈服强度和在RT下的优异可塑性以及在高温下的抗软化性。晶格应变演化结果表明，与常规金属材料相比，在高温下，独特的弹性变形行为在室温下表现为弹性各向同性，并且弹性各向异性变形行为的温度依赖性较小。这项研究提供了单BCC固溶相难熔HEA在高温下使用原位中子实验和理论计算结合的独特弹性和塑性变形行为的证据^[4]。

5.《Science》子刊：创纪录！打破低碳钢晶粒细化和强度极限. 

增加碳含量是最有效和最经济的提高钢强度的方法。但导致焊接性及加工性降低。超塑性变形（SPD）技术可以细化金属的晶粒尺寸到超细晶制度（1000至100nm）或甚至纳米晶（<100nm）。变形细化晶粒是一个位错、动态恢复、再结晶和晶界迁移之间相互竞争的过程。如果在变形过程中增加位错密度或抑制动态恢复和再结晶，则细化效果明显。材料微观结构在塑性变形期间产生几何必要位错（GND）和统计存储位错的密度。动态恢复和再结晶消除了位错，从而阻碍了结构的细化。降低加工温度或材料中有沉淀物会减慢动态恢复和再结晶的动力学，但会削弱变形能力。另外，间隙原子对位错和界面的钉扎效应有助于实现纳米结构。在适中的温度下，间隙原子具有足够的移动性，可以在位错处动态分离。结果位错和位错消失的迁移率降低。由于溶质原子起到固定位错的作用，因此将有助于位错存储，从而促进微结构的细化。

纳米异构材料中心朱运田教授团队利用微观结构的异质性和间隙原子实现低碳钢晶粒的极端细化。研究发现在300°C进行简单的工业热轧，可以制备出纳米片状结构（平均厚度约为17.8 nm）的块状超强（> 2 GPa）低碳钢。在精心设计的初始微观结构的背景下，热轧比冷轧可产生更精细的微观结构。其主要的机理是（i）通过调节热轧温度来改善双相异质结构的变形兼容性;（ii）将碳原子隔离到层状边界以稳定纳米片层。温轧生产的片层比冷轧生产的更细，这证明了调整含间隙异质结构的变形兼容性对晶粒晶化的潜力和重要性。该策略应适用于大多数低碳和低合金钢，并且可以在任何钢厂中实施而无需修改现有设施。

图4 典型钢样品的扫描电子显微镜显微照片和力学性能（A和B）与初始纤维双相（DP）样品相比，冷轧和热轧钢样品的工程应力-应变曲线。（A1），（A2）和（A3）是扫描电子显微镜（SEM）显微照片，显示了冷轧压下率分别为30％，60％和90％的样品的显微组织。（B1），（B2）和（B3）是SEM显微照片，SEM显微照片显示了热轧压下率分别为30％，60％和90％的样品的显微组织。（C）SEM显微照片显示了纤维DP的微结构^[5]。

6.《Science》：重大发现！解密难熔高熵合金异常高温强度和高塑性的根源！

在许多技术应用，特别在航空航天和发电部门，难熔合金是高温下使用的很有吸引力的候选材料。但这类材料的合金开发进展缓慢。目前为止，体心立方(bcc)难熔多主元合金（MPEAs）在高温下显示出的高强度非常具备吸引力，其在某些情况下超过了先进的镍基高温合金（在1200℃以上往往会失去强度）。在高温下保持强度能够提高工作温度，可以提高能源、航空航天和核应用的效率。但是传统的bcc合金也有其缺点，主要表现为力学性能严重依赖于温度，随着温度的降低，通常表现为韧脆转变。这种行为的起源与螺旋位错的缓慢运动有关。

美国加利福尼亚大学Daniel S. Gianola教授团队首次清楚地证明:(1)在0.12 T的低温度下，难熔MPEA中有大量非螺杆节段存在滑动错位；(2)高阶滑移面在bcc MPEA变形过程中扮演着重要角色；(3) 理论上提出了随机防滑性的概率描述。这个成果解释了材料在较高温度下具有高强度和均匀塑性的理论机理，有助于理解强度的弱温度依赖性。这三个特性都适用于将材料暴露在极端温度下的应用场合，而在传统的金属或合金中无法同时达到。

图5 等原子的MoNЬ钛合金屈服应力对温度的依赖关系。(A)有代表性的难熔MPEAs是经压缩试验的bcc相多晶体 。为便于比较，本文还包括了纯bcc金属在再结晶(RX)或轧制(板)条件下的拉伸屈服应力。(B)密度由(22)起。最上面的数据是在室温下。盒子突出了600到1000℃温度范围内的屈服强度。(C和D)位错形态分别在稀释元素合金和bcc MPEA中{1-10}滑移面上的示意图。(E)含有87 nm×87 nm×246 nm的原子探针层析重建29.5 x 10^6个离子，显示了所有原子和Mo. Nb或Ti原子的空间分布^[6]。

7.《Science》重磅！金属疲劳领域获得重大突破！

金属材料在施加循环载荷的应用中，减轻疲劳失效是非常重要的。在塑性金属中，疲劳裂纹的萌生是很小的，无裂纹金属到有裂纹的转变机理一直是金属疲劳研究的重大挑战之一。材料微裂纹的成核是位错在循环加载过程中往复运动的结果，使位错自生长成长程有序结构。阶梯位错结构（通常称为驻留滑移带(PSBs)）是疲劳裂纹萌生过程中最重要的缺陷结构。PSBs的形态表现为有规则的间隔，由位错-位错偶极子将其分隔成类似阶梯的结构。

美国约翰·霍普金斯大学Steven Lavenstein教授团队在微米级Ni单晶体中（一种典型的面心立方晶体）设计了一种高周疲劳实验，成功复制了PSB形成的必要条件，对利用高分辨透射对PSBs进行原位观察和表征。结果发现PSBs在微晶体积内局部成核，然后逐渐传播，直到它们跨越整个滑动区域。PSB表面滑移痕迹成型后具有粗糙度。充分增殖后，PSB滑痕的粗糙度在进一步循环载荷下保持稳定。该模型揭示的具体机理为：(i) 在最初的加载循环中，平行平面的位错源将被激活，该位错源具有最高的分解剪应力。自由表面的位错将脱离微晶，直线型表面台阶。(ii)在进一步的循环加载后，由于位错的往复运动，在主滑移面上形成位错缠结。这些位错也与次级位错纠缠在一起。(iii)在临界数量的循环之后，位错缠结脱离，形成初级刃型位错偶极子。(iv)由于螺旋位错的往复滑动，偶极子聚集成梯形结构，构成PSB核。(v)随着周围基质的位错解开并成为PSB阶梯结构的一部分，PSB核变宽和变长。

图6 位错微观结构与表面滑移标记的演化[7]

8.《Nature》子刊：疲劳寿命提高25倍！提出高强度铝合金组织设计新概念. 

铝合金是使用最普遍的工程用合金之一。与钢等其它材料相比，它们轻，无磁性，并且具有优异的耐腐蚀性。所以它们在减重的应用中具有明显优势。通常制备飞机，汽车等结构材料的合金在运输过程中受交变应力，材料必须承受的应力本质上是循环的。所以在在这些应用中，材料的抗疲劳性能是至关重要的。据估计，80%的工程合金失效是由于疲劳。对于钢材而言，疲劳强度(动态特性)和抗拉强度(静态特性)是紧密相关的:所以提高疲劳强度时应该采取的一种策略是选择具有较高拉伸强度的材料。但是对于铝合金，高强度铝合金的疲劳性能相对较差。 

疲劳失效是分阶段发生的，具体为塑性局部化催化疲劳裂纹的产生-疲劳裂纹扩展-最终导致断裂。所有阶段都是重要的，但对整体疲劳寿命的相对贡献取决于外部载荷条件。在高周疲劳(HCF)中，循环应力明显低于单调屈服强度，大部分寿命被塑性局部化和临界尺寸的疲劳裂纹所消耗。莫纳什大学材料科学与工程系Christopher Hutchinson教授团队介绍了一种新组织设计概念，可大幅提高析出物强化铝合金的HCF性能。并证明了疲劳寿命增加了至少一个数量级，且疲劳强度增加到抗拉强度的〜1/2。该方法主要新颖性是利用疲劳早期循环中赋予材料的机械能，通过使用早期应变分配循环来驱动动态沉淀，以达到强化微观结构的目的，极大地延迟了塑性局部化和疲劳裂纹的萌生，从而提高了疲劳寿命和疲劳强度。所以微观结构不会因疲劳载荷而在较长时间内保持稳定，而是要通过动态载荷来改变微观结构。设计一个初始的微观结构将在这种情况下发生变化，可以显着改善其疲劳性能

图7 具有明显的无沉淀区（PFZ）的空气淬火（AQ）AA2024，AA7050和AA6061合金的表面演变。a，c，e在一定数量的高周疲劳（HCF）之后，峰值时效（PA）合金沿晶界出现较大的局部表面起伏。b，d，f在一定数量的高周疲劳（HCF）之后，通过欠时效（UA）合金的晶粒形成的均匀表面浮雕。红色曲线显示用白色箭头突出显示的不同表面起伏的相对高度^[8]

参考文献：

[1] Luis A. Zepeda-Ruiz, Alexander Stukowski, Tomas Oppelstrup et al. Atomistic insights into metal hardening: https://www.nature.com/articles/s41563-020-00815-1.

[2] Lu-Lu Li, Yanqing Su, J. Beyerlein. Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultrafine layered Fe-Al alloys. https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb6658

[3]Shiteng Zhao, Ruopeng Zhang, Yan Chong et al. Defect reconfiguration in a Ti–Al alloy via electro plasticity. Nature Mater，2020. https://www.nature.com/articles/s41563-020-00817-z

[4]Temperature dependence of elastic and plastic deformation behaviorof a refractory high-entropy alloy, https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eaaz4748

[5] Ultrastrong low-carbon nanosteel produced by heterostructure and interstitial mediated warm rolling. https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eaba8169

[6]Fulin Wang, Glenn H. Balbus, Shuozhi Xu et al. Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy. DOI：10.1126/science.aba3722

[7] Steven Lavenstein, Yejun Gu, Dylan Madisetti et al，The heterogeneity of persistent slip band nucleation and evolution in metals at the micrometer scale. Science， 2020. DOI: 10.1126/science.abb2690

[8] Qi Zhang , Yuman Zhu , Xiang Gao，et al Training high-strength aluminum alloys to withstand fatigue. Nature communications，2020 https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7

本文由虚谷纳物供稿。

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