金属结构材料的高强度和大拉伸延性是其工程应用的前提，特别是低温环境所用材料的强-塑-韧性匹配尤为重要，以避免低温脆性导致的灾难性事故发生。这通常要求合金不仅具有高的屈服强度(YS, σy > 1.0GPa)，还要高加工硬化率(WHR, Θ)以实现大均匀延伸率(UE, ɛu > 15%)和高抗拉强度(UTS, σUTS > 2.0GPa)。目前，广泛使用的低温合金(如316L不锈钢)难以满足上述要求，其原因在于它们使用的强化相(如BCC相、B2相等)体积分数低且具有低温脆性，急剧损失合金的塑韧性。与传统低温钢相比，提升合金低温性能的有效途径是采用复杂浓缩合金的设计理念，这涉及到采用多种主元素以再形成富铁FCC复杂浓缩合金。尽管单相FCC复杂浓缩合金具有高塑性/韧性，但是其强度通常较低，特别是具有相变诱导塑性(TRIP)效应的FCC复杂合金的屈服强度极低，导致材料韧性也难以满足需求。
针对上述问题，西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队受铁基和
镍基高温合金微观结构的启发，提出使用高体积分数共格 L12纳米析出相强化FCC富铁复杂浓缩合金(CCA)基体。为了实现低温高强度大延性/韧性，该合金的设计思想是在FCC基体中构筑超高密度的双功能共格L12纳米析出相，一方面L12相作为位错障碍以显著增强屈服应力，另一方面在足够高的应力水平下使其作为位错源被激活，提供充足的不全位错以实现高加工硬化性能，从而实现大均匀延伸率。特别是，超高密度的纳米L12析出相在发生孪生变形的同时显著提升了合金的流变应力水平，使得在低温77K拉伸时FCC基体转变为BCC相，通过此TRIP效应进一步提升了合金的加工硬化率(WHR > 4GPa)。由于复杂浓缩合金相变产生的BCC相中螺位错和刃位错在高应力水平下具有相近的可动性，从而避免了FCC-BCC转变所诱发的低温脆性，这与传统的富碳马氏体的FCC-BCT相变诱发的低温脆性截然不同。为此，团队基于领域知识辅助的机器学习进行了合金设计，获得了L12析出强化型Fe35Co29Ni24Al10Ta2复杂浓缩合金，其L12相的尺寸约10nm、体积分数高达≈ 65±3 vol.%，从而在液氮温度下实现了前所未有的性能组合，即YS ≈ 1.4GPa，UTS ≈ 2.25GPa，UE ≈ 45%和WHR > 4GPa。该复杂浓缩合金的静力韧性高于迄今为止已知的所有低温用合金，有望应用于低温领域，团队提出的合金设计策略也为其他高性能合金设计提供了新思路。
图1、Fe35Co29Ni24Al10Ta2合金的初始态、室温变形和低温变形微观结构
图2.设计的Fe35Co29Ni24Al10Ta2合金与目前报道的高性能合金在室温/低温下的性能对比
该研究成果以《77K下复杂浓缩合金创纪录的高强度和韧性》(A Complex Concentrated Alloy with Record-High Strength-Toughness at 77 K”)为题在线发表于《先进材料》《Advanced Materials》。西安交通大学材料学院博士生Yasir Sohail和张崇乐为论文共同第一作者，张金钰教授、薛德祯教授、马恩教授和孙军院士为论文共同通讯作者，参与该工作的还包括李苏植教授和刘刚教授。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室是该工作唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省科技创新团队项目、中央高校基本科研业务费等项目的共同资助。
论文链接地址:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410923
本文内容来源：
https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/216959.htm
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编辑：北方有色网
来源：西安交大
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