金属材料永恒的力学性能追求是同时兼具高强度和大塑性。然而，高强度往往导致低塑性瓶颈，其原因是高强度下位错难以形成并储存，严重降低了加工硬化能力。为此，中国科学院力学研究所武晓雷研究员领导的研究团队，提出了一种加工硬化新策略，即利用并控制已经发生的塑性失稳实现加工硬化，并据此策略获得了记录级力学性能。

2024年4月11日，相关研究成果以“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”为题在线发表于Nature Materials期刊上。论文通讯作者为武晓雷研究员，共同第一作者为徐博文、段慧超和陈雪飞博士。

加工硬化是金属结构材料拉伸塑性的基础，其前提是拉伸变形时在晶粒内部形成、增殖并储存的位错—位错之间以及位错与界面和析出相等的交互作用引起的加工硬化。当晶粒细化至纳米尺度时，晶粒内部则很难产生并储存位错，降低了加工硬化能力，引起低塑性瓶颈。在高强度纳米结构金属中，如何形成并储存位错是实现其加工硬化的难题，更是挑战。近年来，少数超强钢和多主元合金获得了2 GPa左右的屈服强度和大于10%的拉伸塑性。上述合金，要么是易于发生马氏体相变的亚稳态结构，要么内部具有高密度的纳米析出相。然而，在大多数传统合金中，既没有纳米析出相也不存在马氏体相变，如果这些合金的屈服强度被提升至2.0 GPa左右，其加工硬化能力不足的问题仍然没有得到解决。

在这项工作中，团队制备了多主元VCoNi合金纳米结构，面心立方结构的纳米晶粒包含亚纳米尺度化学短程有序和第二相L12金属间化合物。纳米结构的初始拉伸变形是吕德斯带（Lüders band）扩展，研究人员发现：一旦吕德斯带开始扩展，在其前端就已经发生了塑性失稳、即早期颈缩（premature necking），在颈缩处随即形成了三轴应力状态，促进了高密度位错的快速产生，其中位错密度增量为9.3×1014 m-2，位错增殖速度为4.6×1013 m-2·s-1。这些位错引起了林位错加工硬化和异质变形诱导硬化，后者是几何必需位错与化学短程有序的应变场之间交互作用的结果。在吕德斯带扩展过程中，加工硬化体现出关键作用—反过来抑制并稳定住了吕德斯带的失稳扩展，还能使纳米结构进行均匀变形。据此，研究人员克服了高强纳米结构的低塑性瓶颈，得到屈服强度2.0 GPa和拉伸塑性16%的室温准静态拉伸性能，这两个性能在极端低温（即液氦和液氮温度）下提升到了前所未有的2.2 GPa和20%。这些结果展现了一个另辟蹊径的加工硬化策略，即“低加工硬化能力引起早期塑性失稳—失稳则诱导位错产生和加工硬化—加工硬化反过来抑制失稳”，是一个“抑制失稳”而非传统“推迟失稳”的加工硬化策略。

图1：多主元VCoNi合金的初始微结构。

图2：室/低温力学性能和强度-塑性匹配。

图3：吕德斯带前端的早期颈缩、塑性响应和位错增殖。

图4：拉伸变形后晶粒内部的位错行为。

图5：吕德斯带扩展和均匀变形过程中的加工硬化。

图6：通过利用并控制早期颈缩实现加工硬化。

此工作拓展了长期以来教科书中对于吕德斯带变形的传统理解，揭示了高强纳米结构中之前未知的吕德斯带变形物理，并为研发高力学性能化金属材料及其极端环境应用提供了新思路。

相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41563-024-01871-7