顶刊梳理：金属材料在相变、性能和非对称固溶偏析的重要进展
相变和力学性能是金属材料最基础也是最重要的研究，通过对相变机理的研究，可以实现对材料组织的调控优化，而组织的优化则直接决定材料的力学性能。因此，关于相变与性能的研究一直是各国关于金属材料的研究重点。最近在一些具有重要影响力的期刊上，发表了几篇关于层错驱动相变，倾斜晶界上非对称固溶偏析以及通过一些新工艺成功突破金属材料强塑性相互制约的工作，让科技工作者耳目一新，使得人们对这一领域有了更深地了解。笔者今天就对这几篇论文进行深入解读，希冀能引起大家共勉。
1.所发表论文
1）局部成分波动在高熵合金中引起的强塑性增加
在高熵合金中，局部化学成分波动是高熵合金常见的特征，影响位错的增殖和运动。通过调节局部化学成分，合金的强塑性可以同时提高，主要原因是其导致的位错的运动行为以及加工硬化。但是直接的原位观察至今为止，还是非常缺乏。本文选择24.0Hf-27.2Nb-23.9Ti-24.8Zr合金，通过原位透射，三维原子探针和EBSD试验研究了在拉伸过程中局部化学成分诱导的位错增殖和运动行为。
传统观点认为，如果位错活动是被阻碍，其能量将通过脆性裂纹扩展而得到是否。因此，位错的钉扎通常以牺牲塑性为代价来增加强度。本文则发现了两种不同的机制，HfNbTiZr高熵合金的位错钉扎不仅使得强度提高，还增加了合金塑性。如图1所示，在本高熵合金中，位错的钉扎可以使位错密度增加，从而提高了合金的位错贮存能力，有利于合金塑性的提高。通过高分辨HAADF-STEM图像，该文作者观察到重金属元素富集会导致合金了在塑性变形过程中位错的这种钉扎特点。另外，局部化学元素波动在该合金中还会导致位错发生广泛的交滑移，导致位错的增殖，进一步同时提高了强塑性。
图1 钉扎诱导的位错增殖；(a和b)位错2被障碍物固定，并留下标记为L1和L2的小位错环；(c)L1和L2扩展；(d) L3与位错2在同一滑移平面上形成并扩展[1].
2）CrCoNi中熵合金中层错驱动的相变
FCC→HCP是一类重要的相变，已被很多研究者报道过，但其机理非常微妙，远未揭示清楚。之前的研究已在压缩和冲击变形放入中熵合金中发现了FCC→HCP的相变。但在拉伸载荷的情况下是否会发生FCC→HCP的相变，还没有被研究过，在本文中，结合原位中子衍射，仔细研究了CrCoNi中熵合金在拉伸应变条件下发生的FCC→HCP的相变和变形机理。研究表明，在拉伸载荷的作用下，温度为15K时，CrCoNi中熵合金内部会发生FCC→HCP的相变，这种相变是由层错触发的，相变过程中并没有中间相出现。其相变机理如图2所示，在FCC金属中，变形不仅通过全位错滑移进行，还可以通过1/6<11-2>的不全位错进行，原始FCC材料的堆垛顺序为CABCABCABC，如图2（a）所示。一旦不全位错在（111）面上启动，原子将会发生小于一个原子距离的移动，将堆垛顺序变为CABCACABCA，如图2（b）所示。在此基础上，当不全位错继续滑动时，则会导致CABCACBCAB的堆垛顺序，在第三层原子面的滑动，将会导致纳米孪晶的形成。可以看到，在不全位错进行第二次滑动的时候，会形成HCP的堆垛顺序，也即发生了FCC→HCP的相变。
图2图解说明了层错、纳米孪晶和hcp相的形成。(a)通过在邻近(111)平面上引入1/6<11-2>的不全位错，从fcc结构形成固有层错(ISF)、外部层错(ESF)和纳米孪晶。(b) 通过在每一个其他平面上滑动的不全位错形成hcp堆垛，或通过两个连续的ISF形成hcp相[2].
3）周期性错配位错分离倾斜晶界中的溶质非对称偏析
多晶材料都由晶界分隔的晶粒组成，晶界的体积分数虽然较少，但在决定材料性能方面则起着重要作用。一般来说，在含有一种以上元素的材料中，在界面能降低的驱动下，合金元素的偏析或杂质会显著改变材料的性能，如凝聚力、迁移率和热稳定性。除了大角度晶界，孪晶界等界面外，多晶材料中还存在倾斜晶界，倾斜晶界又可以分为对称倾斜晶界和非对称倾斜晶界。非对称晶界包含由一系列位错，其中位错的原子间距由倾斜的角度决定。这些位错在固溶体中是扰动区，当扩散激活时吸引溶质偏析。与特殊的高对称界面相比，多晶块体材料中非对称晶界偏析的原子尺度机制仍然难以捉摸。本文在变形退火后的Mg - Nd - Mn合金中直接观察到四种由溶质装饰的有序界面超结构。 非对称晶界中有序界面上层结构的发现超越了经典的界面随机偏析，为界面结构的复杂性和分离到晶界的溶质的原子排列提供了联系。研究表明，弹性应变最小化有利于溶质在四种类型的非对称倾斜晶界中的非对称偏析，从而产生有序的界面上部结构。像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜观察表明，溶质选择性地在线性取代位点偏析由周期性错配位错分离的基板形成这种二维平面结构。这些发现完全不同于经典的假设单层或亚单层覆盖晶界的mcclean型偏析，刷新了对应变驱动界面偏析行为的认识[3]。
4）根据微观结构的宏观设计打破材料的性能相互掣肘
现代工业的发展要求材料至少要满足两方面性质的同时满足，但是很多材料的性质都是相互掣肘的。例如金属材料的强塑性，强度与导电性，导热与热稳定性等。归根结底，影响材料性质的根源还在于优化其显微组织。在本文中，作者在室温，大应力和高应变速率的条件旋锻退火态铜，得到的沿着锻造轴方向拉长的显微组织。研究发现这种组织能够提高同时材料的强度以及导电性。通常，材料强度的提高需要引入高密度位错以及晶界，这些缺陷不可避免的导致电子的散射，从而降低导电性。旋转锻压同时引入了铜丝轴线上的超长晶粒和晶粒内部的高密度位错。虽然超长晶粒通过降低大角度GBs的比例来提高沿轴电导率，但电子通道上的高密度位错仍然使电导率降低到97%左右。再结晶前的退火清除了电子通道上的大部分位错，并将电导率提高到100%以上。最后，亚微米间距的低角度GBs通过有效地阻止径向位错滑移，提高了屈服强度。
图3 文献综述了不同剧烈塑性变形和粉末烧结法制备纯铜的屈服强度与导电性/热稳定性的关系，(a)屈服强度与电导率。(b)晶粒尺寸与退火温度的关系。ED,电沉积; SPS，放电等离子烧结;ECAP/R/E，等通道角压/滚压/挤压; DCT，深冷处理; DPD，动态塑性变形;CR,冷轧;SMGT，表面机械磨削处理;LSEM，大应变挤压加工。(c)铜在锻造和退火过程中的微观组织演变及其对力学和导电性能的影响示意图。(d)传统的性能权衡优化和本文根据服务方向的微观结构宏观设计概念的示意图表示[4]。
5）低成本奥氏体钢的超高低温韧性
金属和合金的冲击韧性随着温度的降低而降低，这严重限制了其应用。传统采用的固溶和复杂的热处理方法有着非常高的成本。因此，开发出在低温下韧性保持不变甚至增加的廉价、工业上实用的合金仍然是材料科学的一个梦想。在本文中，以成本低廉，工艺和成分简单的Fe-30Mn-0.11C钢为对象，研究了其在液氮温度的低温韧性。首先，在选择粗晶和细晶Fe-30Mn-0.11C钢分别在室温坏人液氮温度进行了拉伸和冲击韧性测试。研究表明，细晶钢的屈服强度和塑性都要优于粗晶钢，随着温度的降低，合金的强塑性同时提高，这主要得益于合金在低温变形时产生的大量的变形孪晶，导致明显的TWIP效应，增加了加工硬化阶段。对冲击韧性的研究表明，粗晶钢的冲击韧性随着温度降低而减小，而细晶钢的正好相反，本工作中在液氮温度获得的冲击韧性为450J，开创了一个新的记录。研究表明，高韧性归因于锰和含碳奥氏体稳定元素，加上减少晶粒尺寸到近微米尺度。在这种条件下，主要的变形机制是位错滑移和变形孪晶，而α ' -和ε-马氏体转变引起脆化受到抑制。从而降低了局部应力和应变集中，延缓裂纹成核和延长加工硬化。这种合金成本低，可以通过常规生产工艺进行加工，因此适用于工业中的低温应用。
图4 与各种低温金属韧性的比较。液氮温度不同锰钢冲击韧性的比较，水平蓝线为添加9%镍GB 24510-2009标准中厚度≤30mm的板材，b 液氮温度下冲击能与RT屈服强度的函数关系[5].
2. 总结
不难可以看出，以上发表的论文非常注重创新性，有些内容则直接打破了材料科学的传统范畴。在金属领域，研究内容最为复杂的则是相变以及缺陷，它们直接关系着材料组织和性能的调控。通过对相变和晶界进行原子级别的分析，不仅可以帮助我们认识到他们的机理和特性，还可以间接促成提高性能调控的方法。当然在工程领域，人们最为关心的是材料性能的提高，材料性能的提高与晶界特征密切相关。因此以上的研究，在笔者看来，具有重大的科学和工程价值。
参考文献：
[1] Yeqiang Bu, Yuan Wu, Zhifeng Lei et al. Local chemical fluctuation mediated ductility in body-centered-cubic high-entropy alloys. Materials Today.2021
[2] Haiyan He, Muhammad Naeem, Fan Zhang et al. Stacking Fault Driven Phase Transformation in CrCoNi Medium Entropy Alloy. Nano Lett. 2021, 21, 1419−1426
[3] Hongbo Xie, Qiuyan Huang, Junyuan Bai et al. Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries. Nano Lett. 2021, 21, 2870−2875.
[4] Qingzhong Mao, Yusheng Zhang, Jizi Liu et al. Breaking Material Property Trade-offs via Macrodesign of Microstructure. Nano Lett. 2021, 21, 3191−3197
[5] Yuhui Wang, Yubin Zhang, Andrew Godfrey et al. Cryogenic toughness in a low-cost austenitic steel. Communications Materials. (2021) 2:44
本文由虚谷纳物供稿。