铌硅合金的固溶强化与位错残骸的韧化机理

2025-01-20 11:51:33 作者：材料科学和技术来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：李博清
通讯作者：韩卫忠
通讯单位：西安交通大学
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.052

01全文速览

论文系统研究了固溶元素硅对铌的固溶强化和韧化行为的影响机理。发现硅原子通过强烈钉扎刃位错和螺位错使铌硅合金发生显著固溶强化，同时铌硅合金在加工过程中形成的大量位错残骸为后续变形提供了有效位错源，有利于提高其变形能力。研究为设计极端环境高性能难熔金属结构材料提供了重要思路。

02背景介绍

铌合金具有高熔点、低密度，良好的高温强度和抗蠕变性能，是新一代高温合金的重要候选材料。但由于大量合金元素的添加，导致铌合金室温塑性和韧性不足，给其加工和应用带领了重要挑战。此外，铌合金易于吸氧，导致氧脆，同时抗氧化能力弱，也是制约其广泛应用的重要因素。为了提高铌合金的抗氧化性，通过硅合金化，发展轻量化铌-硅合金是一种重要的方法。因此，系统研究铌硅合金的强韧化机制，有利于发展极端环境高性能铌合金关键结构材料。

03本文亮点

铌合金中硅元素的固溶强化效果远远高于其他合金元素，比如固溶硅的强化效果是固溶钛的强化效果的两倍，然而，其微观机制是一个谜。论文系统研究了不同硅含量对铌硅合金中刃位错和螺位错滑移行为和位错结构演化行为的影响机理。研究发现，随着固溶硅含量的增加，刃位错和螺位错的运动能力均被显著抑制，尤其对螺位错的可动性影响更大，因而螺位错的交滑移能力逐渐丧失，位错结构从互相纠缠的复杂位错网络演化为由长直螺位错主导的单一位错结构。固溶硅原子对刃位错和螺位错的强烈钉扎就是其固溶强化的主要来源。研究发现硅原子可能处于间隙位置，其造成的晶格畸变更加显著，这是显著固溶强化的主要原因。由于固溶元素硅原子与位错的强烈交互作用，铌硅合金在高温加工和热处理时形成了大量的位错超割接位错段，这些位错超割接位错残骸分别沿三个{110}面分布。位错超割接位错残骸的数量受固溶硅含量和预变形应变量的影响。在后续变形中，由于固溶硅原子大大抑制了螺位错和刃位错的可动性，导致其自增殖能力消失，而预变形产生的位错超割接位错残骸可以直接转化为有效的位错源，发射可动位错，协调铌硅合金的塑性变形。因此，对于难变形的难熔金属和合金，通过预变形的方式引入有效位错源，可以显著提高其低温变形能力，实现韧脆转变温度的左移。

04图文解析

图1 硅含量对铌硅合金强化和韧化行为的影响。

图2：硅含量对铌硅合金断裂行为的影响。

图3：固溶硅原子对铌硅合金中刃位错和螺位错钉扎过程的原位研究。

图4：固溶硅原子对铌硅合金中刃位错和螺位错运动能力和位错增殖能力的影响。

图5：位错超割接在变形时可以转化为有效的位错源发射位错协调变形。

图6：固溶硅原子通过钉扎刃位错和螺位错，抑制螺位错交滑移，实现固溶强化；高温预变形时固溶硅原子促进位错超割接的形成，位错超割接在后续变形中可以转化为有效的位错源，提高铌硅合金的室温变形能力。

05总结与展望

本文系统研究了硅含量对铌硅合金固溶强化和韧化行为的影响机理。固溶硅原子处于间隙位置，易于产生较大的晶格畸变，通过钉扎刃位错和螺位错，造成显著的固溶强化。然而，刃位错和螺位错相对运动能力的下降，使位错源效率大幅降低，抑制位错增殖能力，造成铌硅合金的脆化。令人意外的是，铌硅合金高温变形时形成的位错超割接等位错残骸可以作为有效的位错源，帮助难变形铌硅合金实现室温位错增殖，提高了铌硅合金的变形能力。总之，若金属材料变形时位错源效率比较低，可以通过增加位错源数量的方式，实现低温增韧。

06参考文献

1. Li BQ, Beyerlein IJ, Shinzato S, Ogata S, Han WZ*, Mechanism of solute hardening and dislocation debris-mediated ductilization in Nb-Si alloy, Journal of Materials Science & Technology, 203 (2024) 167-179.

2. Zhang YH, Ma E, Sun J, Han WZ*, A unified model for ductile-to-brittle transition in body-centered cubic metals, Journal of Materials Science & Technology, 141 (2023) 193-198.

3. Lu Y, Zhang YH, Ma E, Han WZ*, Relative mobility of screw versus edge dislocations controls the ductile-to-brittle transition in metals, Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, 118 (2021) e2110596118.

07课题组介绍

韩卫忠，西安交通大学，教授、博导。主要从事极端环境金属材料强韧化机理研究。研究提出了位错源效率的概念，发现螺/刃位错相对运动速度是控制体心立方金属韧脆转变的关键因素；发现点缺陷复合体诱发反常辐照强化、氧脆和辐照生长的关键机理；发现界面调控金属材料强韧化和辐照损伤的若干关键机制。在PNAS、PRL、Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances、Acta Materialia等发表SCI论文120篇。入选国家海外高层次青年人才计划和国家自然科学基金委员会优青项目。

课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wzhanxjtu

08引用本文

Bo-Qing Li, Irene J. Beyerlein, Shuhei Shinzato, Shigenobu Ogata, Wei-Zhong Han, Mechanism of solute hardening and dislocation debris-mediated ductilization in Nb-Si alloy, J. Mater. Sci. Technol. 203（2024）167-179