Science： 原子缺陷引发了梯度晶胞结构合金在极低温下的卓越应变硬化

01. 导读

应变硬化，也称为加工硬化，可以追溯到青铜时代，是最早广泛使用的增强金属材料的策略之一。传统上，应变硬化是由于晶体晶格中典型的线性缺陷，即位错，以及它们之间的相互作用数量显著增加而产生的，这反过来倾向于降低位错的迁移性。因此，必须施加更大的应力，以便可以发生额外的变形。一般来说，软的粗晶粒（CG）金属由于有丰富的空间和最大的自由位错移动和存储路径，因此具有最高的应变硬化和最好的拉伸延性。晶体固体中的位错相互作用导致局部的位错纠缠，最终形成了三维位错网络结构（即细胞壁），进一步的变形变得困难。特别是，本质上是热辅助的位错恢复和消灭过程逐渐接管，导致在微米或亚微米尺度上的亚结构和随着应变增加而普遍下降的硬化速率。

在高强度材料中，应变硬化的降低更加明显。传统的强化方法，无论是通过改变成分还是修改分层微观结构，都不可避免地建立在通过在晶体晶格中引入各种缺陷来阻止位错运动的基本原理上，但这不可避免地降低了应变硬化能力。例如，包含大量晶界（GBs）的纳米结构金属材料和含有高密度位错的严重变形材料具有极高的强度，但表现出显著降低的应变硬化和有限的均匀延展性，甚至只有几个百分点。应变硬化是必不可少的，因为它有效地分散了流动应变，增强了拉伸延性，抑制了严重的机械破坏。然而，在过去的一个世纪里，高强度金属材料的应变硬化显著提高一直是材料科学中最棘手的问题之一。

大幅降低变形温度会显著提高应变硬化，主要是由于增强的位错活性，例如降低的动态恢复和/或消除以及相应的增加各种材料的位错储存速率。通过这种方式改善应变硬化时，形变孪晶和相变可能在低温下充当晶体塑性的次要载体。这种情况对于传统的低堆垛故障能（SFEs）的单主元素合金以及最近开发的高至中熵或多主元素（MPE）合金系统尤其重要。新形成界面与位错之间的动态相互作用有助于在一定应变范围内实现合理的应变硬化能力。从本质上讲，位错仍然被认为是在低温下所有金属材料的塑性变形中起主导作用的因素。以前的研究表明，工程上的空间异质纳米结构，包括梯度、双模晶粒尺寸、多相等，与均匀组分相比可以表现出额外的应变硬化，因为大的塑性应变不兼容性引发了几何上必要位错的额外活动。然而，由于应变梯度引起的硬化趋势通常只在小的塑性应变阶段（<5%）保持，并且即使在低温下也会在大应变下减小。

02. 成果掠影

鉴于此，中国科学院金属研究所卢磊研究员和美国橡树岭国家实验室合作研究发现，通过循环扭转可以在室温下引发单相Al_0.1CoCrFeNi MPE合金中的梯度超细位错晶胞结构（GDS），这些结构激活了大规模的平行堆垛故障（SFs），从而赋予了合金高强度和相当的拉伸塑性。受此启发，我们探讨了这种GDS是否能够在低温下有效触发堆垛故障，以改善高强度下的应变硬化。与发展平行SFs不同，我们观察到从最初的位错线开始，出现了多方向、极细的平面SFs的广泛增殖，这导致了逐渐向微小的纳米晶粒层次结构的结构细化。除了传统位错的形成外，这种纳米晶粒结构还促使了卓越的应变硬化，甚至在低温下超过了其粗晶材料的同类材料。在塑性变形中，原子尺度的平面变形故障占主导地位，为增强和硬化金属材料引入了一种不同的方法，提供了有前途的性能和潜在应用。相关研究成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”为题，发表在顶级期刊《Science》上。

03. 核心创新点

本文的核心创新点是在低温下使用循环扭转方法创建了一种梯度超细位错晶胞结构（GDS），并发现这种结构能够在室温下激活大规模平行的堆垛故障（SFs），从而提高了合金的强度和塑性。这种GDS结构与传统的平行SFs不同，它引发了多方位、极细的平面SFs的广泛增殖，从最初的细胞壁开始，逐渐细化为微小的马赛克层次结构。这种创新的结构设计和发现提供了一种新的方法来改善金属材料的应变硬化，尤其在高强度和低温条件下，为开发更强和更具韧性的材料提供了新的思路。这对于一系列低温应用，如深空和海洋探索、液化天然气储存以及低温物理等，具有重要的潜在应用价值。

04. 数据概览

图1. 梯度位错结构（GDS）合金的典型微观结构。 (A) GDS条形试样的图像，试样的规格部分经过循环扭转加工处理。(B) 横截面示意图显示了从表面（深蓝色）到核心（浅灰色）的样品级别的GDS结构。(C) GDS管状试样规格截面的三维X射线断层扫描重建图（厚度约0.45 mm）。 (D和E) 显示GDS合金的横截面EBSD图像，展示了在距离表面1.0毫米深度范围内的晶粒尺度形态、取向（D）以及三种不同错配角定义的界面分布（E）。 在(D)中白色方块位置的明场TEM图像（F和G）和核心位置的TEM图像（H），显示了分层的GDS结构。 (F-H) 中的插图是相应的选定区域电子衍射图案（SAEDs）。

图2. GDS合金在77 K下的应变硬化和强度-韧性组合。拉伸工程（A）和真实（B）应力-应变曲线分别在293 K和77 K下显示了GDS、表面GDS和CG样本。相应的应变硬化率和真实应变关系（C），以及通过流动应力和真实应力归一化的应变硬化率关系（D）。 （E）GDS合金的强度和韧性协同作用，与其他在低温下性能优异的材料进行比较。误差线代表来自3个以上独立拉伸试验的标准偏差。 DC和UFG分别表示位错晶胞和超细晶粒；HGS表示异质晶粒结构。

图3. 在77 K下拉伸过程中GDS表面层的微观结构演变。横截面SEM图像（A），GDS表面层在3%拉伸应变时的明场TEM（B）图像，显示了在最顶层的多个位错晶胞模式之间，不同{111}滑移平面上存在两组SF束（由白色箭头指示）。 （A）中带有双箭头的白色线表示加载轴（LA）。 （B）中的相应SAED图案包含来自SF的两组平行条纹（分别沿两个[111]方向，由白色箭头标注）。 （C）从一个SF中获取的像差校正扫描透射电子显微镜高角暗场（STEM-HAADF）图像，显示了SF和TB的极高密度。GDS表面层在40%拉伸应变时的横截面SEM图像（D和E），显示了一个含有更密集的相互倾斜平面界面的晶粒的示例（用白色虚线标出）。 （F）STEM-HAADF图像显示了一个晶粒内的大量纳米晶粒。左下角的插图是相应的SAED图案。 （G）原子分辨HAADF-STEM图像显示了一个典型的示例，其中包含了大小约为10纳米的几个微小的晶粒（以红色虚线曲线示意），这些晶粒包含不同{111}滑移平面上的原子尺度SF。红色数字表示相邻的SFed之间的界面错配角度。 （H）示意图说明了在77 K的拉伸实验中通过形成大量纳米晶实现的初始位错晶胞结构的动态结构细化过程。

图4. GDS和CG合金在77 K下拉伸后的SF概率和位错密度演变。通过在SXRD光谱上进行扩展的常规整体谱拟合（eCMWP）分析确定，GDS和CG（拉伸应变3%和40%）样品在293 K和77 K下，从最顶层到核心的SF概率（A）和完整位错密度（B）的演变。 293 K下3%变形的GDS样品中的SF概率太低，无法提取。

05. 成果启示

我们的实验观察结果指向了一种不寻常的应变硬化机制，该机制在低温下由于形成了极为精细的SFed晶粒而能够迅速触发，使得单一FCC相梯度位错结构的MPE合金具有前所未有的高应变硬化能力，甚至超过了其粗晶对应物。这种在低温下引发的动态SFed晶粒诱导的应变硬化机制与我们之前在室温下观察到的SF诱导塑性以及GDS合金在室温下的卓越强度和韧性的结果相呼应。显然，晶体晶格中支配性的原子尺度平面变形故障活动不仅是晶体塑性的另一种基本载体，还与线性位错相比诱导了强大的应变硬化。梯度位错结构和纳米级SF晶粒的特征对于从物理冶金角度理解基本的应变硬化机制非常重要，并为开发强韧材料提供了不同的范例，特别是在广泛的低温应用领域，如深空和海洋探索、液化天然气储存、低温物理等。

原文详情：

Qingsong Pan et al.Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy.Science,eadj3974DOI:10.1126/science.adj3974

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