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西工大《Nature》子刊：打破传统认知！位错强化必然牺牲塑性？

材料学网 · 公众号 · · 2025-02-14 22:00

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位错是晶体塑性的本源，然而经典位错强化理论认为材料的初始高密度位错虽能有效提升合金强度但必然严重损害塑性。日前，西北工业大学王锦程教授团队通过增材制造极端非平衡凝固和复杂热循环调控中熵合金初始位错组态，实现了高密度位错显著提升合金强度而不损害塑性，打破了位错强化必然牺牲塑性的传统教科书认知。

相关成果以 “Segregation-dislocation self-organized structures ductilize a work-hardened medium entropy alloy” 为题，发表于国际权威期刊《自然 · 通讯》 (Nature Communications) ，西北工业大学为论文的唯一通讯单位。西北工业大学何峰教授、王锦程教授、林鑫教授为共同通讯作者，西北工业大学博士生郭博静为第一作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56710-3

受自然界非平衡复杂系统的自组织临界状态启发，团队通过增材制造技术获得了偏析 - 位错自组织结构 (SD–SOS) 。研究结果表明，偏析 - 位错自组织结构一方面通过发射位错和堆垛层错提供位错源，另一方面与滑移位错动态交互作用，持续生成 Lomer-Cottrell(L-C) 锁和割阶实现位错存储。该组织有效的位错增殖和存储能力有利于变形亚结构 ( 平面滑移带 ) 动态细化，使得增材制造中熵合金展现出高位错密度 - 高塑性协同。上述发现揭示了增材制造合金中位错塑性的基础，并提供了一种新的位错工程策略。

采用激光选区熔化技术 (LPBF) 制备了 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 中熵合金，在 LPBF 这一复杂非平衡系统中，溶质偏析与高密度位错之间动态相互作用形成胞状组织，其尺寸的统计学特征符合自组织临界特性。在偏析 - 位错自组织结构 (SD–SOS) 边界处，存在层错及 L-C 位错锁，两相邻 SD-SOS 间的取向差小于 1° ，低于传统塑性变形产生的低能位错结构 (LEDS) 。

图 1 激光选区熔化 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 中熵合金微观组织： a, EBSD-IPF 图； b, 偏析 - 位错自组织结构 ( SD-SOS) 横截面的 STEM 明场图； c, SD-SOS 组织能谱线扫结果表明边界处 Ti 元素强烈富集， Co 和 Cr 元素微弱偏析于 SD-SOS 内部； d, 采用自组织临界理论的回归分析 ( 横坐标为归一化 SD-SOS 尺寸 ) e, 弱束暗场图显示了堆垛层错的分布； f, TEM 明场图像的组织特征 ; g, SD-SOS 边界处 Lomer-Cottrell (L-C) 位错锁 ; h, 反傅里叶变换图显示了 L-C 位错锁结构 i, SD-SOS 边界处反傅里叶变换图和相应区域的几何相位分析结果。

激光选区熔化技术 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 合金表现出异常的强度 - 塑性协同。与传统铸态合金相比，沉积态合金强度翻倍并保持良好塑性。对铸态合金进行轧制以提高初始组织中位错密度，可实现与沉积态合金类似的强度，但不可避免地损害塑性。沉积态合金在塑性变形早期展现出较高的应变硬化率，且具有持续的应变硬化能力。

图 2 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 中熵合金力学性能： a, 沉积态及铸态合金工程应力 - 应变曲线 , 插图显示了沉积态拉伸试样取样示意图 ; b, 应变硬化率 / 真应力 - 真应变曲线。

动态滑移带细化主导了 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 合金应变硬化。沉积态合金产生密集分布的滑移带，滑移带可穿过 SD-SOS 边界，部分中止于 SD-SOS 边界处。变形亚结构及位错密度演化的定量分析表明沉积态合金具有更细小的平均滑移带间距，在塑性变形早期和中期具有更高的位错存储速率。因此，沉积态合金中位错快速增殖导致了平面滑移带间距持续细化，从而通过增加应变硬化和降低应力集中来提供高的塑性。

图 3 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 中熵合金变形组织及其演化。 a, 铸态合金在 ε = 3% 应变水平下的 ECCI 图片，表现出明显的平面滑移特征； b, 沉积态合金变形组织，其中部分平面滑移带被 SD-SOS 边界阻碍，如红色箭头所示 ; c, 平均滑移带间距随真应变的演化规律 ; d, 铸态和沉积态合金相似关系图 ; e, 位错密度随真应变的变化 ; f, 平均滑移带间距与位错密度的关系。

沉积态合金优异的位错增殖能力源于偏析 - 位错自组织结构 (SD–SOS) ，在塑性变形早期，位错滑移活动起源于 SD-SOS 边界， SD-SOS 边界可作为位错源，发射位错及层错缺陷。除对位错增殖的有益影响外， SD-SOS 边界 / 滑移位错及 SD-SOS 内部的滑移位错频繁的交互作用产生 L-C 位错锁和割阶，促进了广泛的位错储存。

图 4 激光选区熔化 Ni ₃₅ Co ₃₅ Cr ₂₅ Ti ₃ Al ₂ 合金 SD-SOS 组织诱导的位错增殖及存储机制。 a, SD-SOS 边界处的位错滑移活动； b, 位错从 SD-SOS 边界处发射 ( 由红色箭头指出 ) ，白色箭头显示了位错塞积 ; c, 滑移位错与 SD-SOS 边界相互作用产生大量的 L-C 位错锁。插图为白色矩形区域的 HRTEM 图 ; d, TEM 明场图显示了滑移位错与 SD-SOS 边界相互作用产生的割阶 ; e, SD-SOS 内部位错相互作用产生 L-C 位错锁 ; f, 胞内滑移位错交割产生割阶 ; g, 变形亚结构演化示意图。

综上所述，激光选区熔化过程中，元素偏析与高密度位错之间的时空交互作用形成了偏析 - 位错自组织结构 (SD-SOS) ，实现了高位错密度 - 塑性协同。 SD-SOS 边界充当位错源并阻碍位错运动， SD-SOS 内部为位错滑移及位错反应提供空间。 SD-SOS 诱导的位错活动促进了位错的快速增殖和广泛存储，使变形亚结构持续细化，为具有初始高密度位错的合金提供了充足的应变硬化能力。此外，作者指出 SD-SOS 可以通过调整增材制造工艺条件、溶质偏析水平和合金层错能进行优化以实现所需的性能。

西北工业大学材料学院王锦程教授团队长期开展材料多尺度模拟计算、材料基因工程与合金设计、高熵合金及增材制造等方面的科研工作。近年来，团队先后承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划等国家级及省部级科研项目 20 余项，高水平论文 200 余篇，其中在 Nature Communications, Acta Materialia, International Journal of Plasticity, Additive Manufacturing 等国际顶级期刊发表论文 40 余篇，授权发明专利 12 项，获省部级科学奖励 2 项。西北工业大学材料微观组织计算及合金设计课题组网站： http://www.jchwang.com/

来源： 本文来自材料科学与工程