北京時(shí)間8月28日,《Nature》雜志在線發(fā)表題為“Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys”的最新研究成果,報(bào)道了低溫超強(qiáng)韌化研究領(lǐng)域取得的新突破,實(shí)現(xiàn)了材料在臨近液氮溫度下的超高強(qiáng)韌性。華東理工大學(xué)陸體文博士和孫彬涵教授為論文共同一作,張顯程教授和德國馬普可持續(xù)材料研究所的Dierk Raabe教授為論文共同通訊作者。李躍博士和董喜振博士團(tuán)隊(duì)(馬普可持續(xù)材料研究所)、戴升教授團(tuán)隊(duì)(華東理工大學(xué))、何倫華研究員團(tuán)隊(duì)(中國散裂中子源)、李志明教授團(tuán)隊(duì)(中南大學(xué))參與了研究工作,中國散裂中子源鄧司浩也是該論文的共同作者。
隨著我國在極地、深海、深空及能源等極端環(huán)境領(lǐng)域的持續(xù)探索,低溫嚴(yán)苛工況對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料的綜合力學(xué)性能提出了前所未有的挑戰(zhàn)。在此類環(huán)境下,結(jié)構(gòu)材料不僅需要具備高強(qiáng)度,還必須兼顧優(yōu)異的延展性與斷裂韌性。然而,低溫強(qiáng)韌性協(xié)同提升始終是工程應(yīng)用中的世界性難題。適用于低溫工況的組織調(diào)控方法依然十分有限,難以滿足重大低溫工程對(duì)高可靠關(guān)鍵部件的需求。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),通過對(duì)材料熵和焓的同步精準(zhǔn)調(diào)控,可以在CoNiV基中熵合金內(nèi)形成高密度的短程有序結(jié)構(gòu)與納米長(zhǎng)程有序的雙尺度納米結(jié)構(gòu),進(jìn)而使得材料在臨近液氮溫度下獲得接近1.8 GPa的抗拉強(qiáng)度和超過300 MPa?m0.5的斷裂韌性,該研究成果將為低溫環(huán)境服役的關(guān)鍵構(gòu)件制造提供全新材料設(shè)計(jì)思路。該研究工作中,得益于中國散裂中子源(CSNS)通用粉末衍射儀(GPPD)高分辨率、優(yōu)異峰型及良好信噪比,研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)GPPD中子衍射數(shù)據(jù)的精確解析,成功定量分析出長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)在合金中的體積分?jǐn)?shù)、以及該結(jié)構(gòu)與基體的晶格錯(cuò)配度,研究了雙尺度有序相在常/低溫變形過程對(duì)合金內(nèi)位錯(cuò)密度增殖的影響,為揭示雙尺度納米有序微結(jié)構(gòu)對(duì)低溫強(qiáng)韌化的協(xié)同機(jī)制提供了重要的支持。
通用粉末衍射儀是中國散裂中子源一期建設(shè)的3臺(tái)譜儀之一,自2018年開放運(yùn)行以來,已經(jīng)順利完成國內(nèi)外70多個(gè)科研單位的近600余項(xiàng)用戶課題,多項(xiàng)用戶實(shí)驗(yàn)成果已在Nature、Science等高水平期刊發(fā)表,為能源、磁性、超導(dǎo)、金屬及合金等材料的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)研究提供有力支撐。
文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09458-1

圖1.雙尺度納米有序微觀結(jié)構(gòu)定量分析

圖2.雙尺度有序結(jié)構(gòu)對(duì)低溫變形過程中位錯(cuò)增殖的影響分析