诸如C, N和O，是一种有吸引力的合金元素，因为在间隙位置上的小原子会产生强烈的晶格畸变，从而大大增强金属。然而，当间隙含量超过一个临界但较低的值（如2 at.%），脆性陶瓷通常会形成如氧化物和碳化物，而不是固溶体，从而显著降低合金的变形能力。

在此，来自西安交通大学吴戈、中南大学李志明、德国马普朗所的Dierk Raabe等研究者，引入了一类大量间隙固溶体（MISS）合金，通过使用高度扭曲的置换晶格使大量间隙固溶作为一个额外的主族元素类，而不形成陶瓷相。相关论文以题为“Massive interstitial solid solution alloys achieve near-theoretical strength”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28706-w

人类使用金属元素的混合物来制造坚固的合金历史已经超过了5000年。在置换型固溶体合金中，溶剂晶格原子被溶质置换，其尺寸和电子失配导致的畸变阻碍了位错的运动，提高了材料的强度。近年来发展起来的高熵合金，包含复杂的多主族元素的浓固溶体，得益于大量的置换固溶体强化，取得了部分优异的力学性能。

当置换原子混合所能得到的最大晶格畸变设定了一个上界时，置换方案在进一步改善性质方面接近其极限。因此，间隙体是有吸引力的置换合金元素，因为间隙位上的小原子比置换原子产生更高的晶格畸变，从而大大增强金属。在Fe-C钢中，间隙体具有较强的强化作用，在Fe中只掺入~0.1% wt% C，可使强度提高~300 MPa。间隙与晶格缺陷（如位错、晶界和沉淀物）的强相互作用，提供了多种强化途径。尽管间隙合金具有较高的强度，但要达到近一个世纪前Frenkel提出的G/10（G是材料的剪切模量）左右的理论强度极限，一直是一个挑战。总的来说，合金的变形能力随着间隙含量的增加而降低。此外，当间隙含量超过一个临界但较低的值（如2 at%）时，脆性陶瓷通常会形成如氧化物和碳化物，而不是固溶体，从而显著降低合金的变形能力。

在此，研究者提出了一种解决上述问题的方法，即通过引入大量间隙固溶体（MISS）合金的概念。MISS合金的概念是通过使用集中的体心立方（bcc）置换固溶体作为高度变形的基体来实现的，这允许引入大量的间隙体作为额外的主族元素类。在浓缩的置换固溶体中，原子大小的差异造成了广泛的扩展和压缩的间隙位分布，能够解决大量的间隙。它还破坏了间隙位置的对称性，从而抵消了长程有序氧化物/碳化物的形成。大量的间隙含量，也降低了合金体系的自由混合焓，有利于固溶稳定性。因此，MISS合金的概念颠覆了以前的合金设计策略，这些策略是基于忽略或小的间隙掺杂。更具体地说，研究者把MISS合金定义为含5 at%以上间隙的固溶体。在bcc型TiNbZr-O-C-N MISS体系中，间隙O含量达到12 at%，未形成陶瓷相。该合金的抗压屈服强度达到4.2 GPa，接近理论极限，以及较大的室温压缩变形能力（65%应变），且无局部剪切变形。MISS概念，为开发具有优异力学性能的金属材料提供了一条新的途径。

图1  （TiNbZr）86O12C1N1（O-12）MISS合金和等原子TiNbZr（基）合金的显微组织。

图2 O-12 MISS合金的APT和XRD表征。

图3 TiNbZr-O-C-N MISS合金和标准等原子TiNbZr基合金的力学性能。

图4 O-12 MISS合金的变形机理。

综上所述，研究者演示了一种反直觉的合金设计方法，即将大量的间隙成分作为一组额外的主族元素混合到扭曲的基体中，而不是仅使用通常的少量间隙掺杂。这类合金被称为MISS。代表性的（TiNbZr）86O12C1N1（at%） MISS合金，在压缩过程中获得了4.2 GPa的超高屈服强度，接近~G/10的理论强度极限。接近理论的抗压强度主要归因于O间隙的数量（12 at%），这强烈地阻碍了位错的形核和运动。在高应力水平下，O隙促进位错的增殖，而C和N向晶界的偏析抑制了局部变形。这两种效应促进了微柱压缩条件下变形驱动的晶粒细化，使微柱具有较高的变形能力（65%的应变不产生局部剪切变形）。

这种合金设计策略适用于多种材料，包括由多种主族元素组成的合金，并可能为研究大量间隙掺杂固溶体中的塑性变形本质提供基础。