本文介绍了金属材料既坚固又具有延展性的追求，以及纳米晶合金面临的挑战。引入大量晶界将晶粒尺寸细化到纳米级已被证明是一种有效的强化方法，但会导致加工硬化能力恶化和热稳定性较差。目前，人们已经提出了各种手段来解决纳米晶合金中存在的问题，提高NC合金延展性的关键在于提高其加工硬化能力。杨涛/C.T. Liu教授团队提出了化学复杂型金属间化合物的合金设计理念，并成功引入有序-无序复合结构，克服了传统金属间化合物材料的瓶颈问题。该研究为开发新型纳米晶合金提供了重要的理论基础和方向。香港城市大学吕坚院士与杨涛教授领衔的研究团队在化学复杂型金属间化合物中引入了“核壳纳米结构”，解决了传统纳米晶金属的挑战，开发出一种新型纳米晶CCIMA合金，具有超高的抗拉强度和高均匀伸长率。相关成果在国际顶尖学术期刊上发表。
杨涛/C.T. Liu教授团队提出了化学复杂型金属间化合物的合金设计理念，通过引入有序-无序复合结构，克服了传统金属间化合物材料的瓶颈问题。
香港城市大学吕坚院士与杨涛教授领衔的研究团队在化学复杂型金属间化合物中引入了“核壳纳米结构”，解决了传统纳米晶金属的挑战，开发出一种新型纳米晶CCIMA合金，具有超高的抗拉强度和高均匀伸长率。
相关研究在国际顶尖学术期刊上发表，为开发更多的新型高性能结构材料提供了独特的设计策略。
使金属材料既坚固又具有延展性一直是材料科学家和工程师的长期追求。引入大量晶界（
GB
）将晶粒尺寸细化到纳米级已被证明是一种有效的强化方法，通常会使材料的强度提高几个数量级。
然而，晶粒细化使得位错难以累积，从而导致加工硬化能力恶化。因此，纳米晶（
NC
）合金往往表现出十分有限的延展性，均匀伸长率（ε
u
）通常低于
5%
。此外，高密度晶界中巨大的过量自由能为晶粒粗化提供了很高的驱动力，导致其热稳定性较差（
<0.3T
m
发生晶粒粗化）。
因此，强度
-
延展性和热稳定性的综合权衡一直是长期存在的科学难题，大大阻碍了
NC
金属材料的实际应用。
目前，人们已经提出了各种手段来解决纳米晶合金中存在的上述挑战。通俗来说，提高
NC
合金延展性的关键在于提高其加工硬化能力，这从根本上取决于促进位错发射和提高位错在晶粒内部的稳态积聚。例如，创建异质纳米结构以产生必要的大规模几何错位，或是利用纳米晶粒内的化学异质性来促进位错积聚，以期达到可以提高
NC
合金延展性的目的。然而，这些方法要么导致强度的妥协，要么只能获得十分有限的拉伸延展性（ε
u<10%
）。因此，截至目前为止，如何在
NC
合金（一类具有广泛潜在应用的高强度材料）中实现超高强度（
>2 GPa
）、足够的延展性（
>10%
）和足够的热稳定性（
>0.5 Tm
）仍然是一个重大挑战。
与无序固溶体相比，金属间化合物中具有序超晶格结构，其内部的位错交叉滑移受到反相边界
(APB)
的抑制，有望显著增强位错联锁和积累。这使它们成为提高
NC
合金加工硬化能力的出色候选材料。
尽管如此，大多数传统金属间化合物合金由于晶界（
GB
）的粘结强度较差而易发生沿晶脆性断裂，这严重限制了它们的应用。
2020
年，杨涛
/C.T. Liu
教授团队首次提出了化学复杂型金属间化合物（
CCIMA, Chemically complex intermetallic;
也被称之为高熵金属间化合物或多组元金属间化合物）的合金设计理念，并通过协同控制多元素的配分与占位行为成功引入“多组元超点阵”和“晶界纳米无序化”的有序
-
无序复合结构，成功克服了传统金属间化合物材料的强度和塑性不可兼得的瓶颈问题。
相关成果以题为“
Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces
”和“
Chemically complex intermetallic alloys: A new frontier for innovative structural materials
”分别在
Science (2020)
和
Materials Today (2022)
上发表。
与此同时，由于化学复杂型金属间化合物兼具独特的亚点阵占位和多元素协同效应，也为开发新型纳米晶合金提供了非常重要的理论基础和方向。
为此，
香港城市大学
吕坚院士
与
杨涛
教授
领衔的研究团队创造性地在化学复杂型金属间化合物（
CCIMA
）中引入了“核壳纳米结构”来解决了传统纳米晶金属的这些挑战。
在这项工作中，基于对“晶内有序超点阵结构”和“晶界纳米无序化”的精细调控，我们在多组元
NiCoFeAlTiB
合金中开发了一种“有序
-
无序”的核壳复合纳米结构。该合金具有多元素共偏析诱导的超薄无序面心立方
(fcc)
纳米层
(~3 nm)
，将有序超晶格晶粒内部连贯地包裹起来。与传统金属间化合物的脆性沿晶断裂相比，该界面
fcc
纳米层具有出色的本征塑性，可有效促进位错成核并协调相邻晶粒的塑性变形兼容性。利用这种“有序
-
无序”核壳纳米结构，该新型纳米晶
CCIMA
合金表现出了超高的抗拉强度（
2.65 GPa
）和高均匀伸长率（
17%
）。此外，多组分界面纳米层进一步提供了强大的抗晶粒粗化能力，有助于核壳纳米结构实现出色的强度
-
延展性
-
热稳定性组合。综上所述，这一独特的设计策略有望用于开发更多的新型高性能结构材料。
相关成果以
“
An order-disorder core-shell strategy for enhanced work-hardening capability and ductility in nanostructured alloys
”
为题，于
2024
年
08
月
1
0
日发表在国际顶尖学术期刊
《
Nature Communications
》
上。
论文通讯作者为香港城市大学
吕坚院士和
杨涛教授，第一作者为
段锋辉博士和李倩博士
。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50984-9
图
1 The order-disorder core-shell nanostructure of the as-spun NC Ni
42.4
Co
22.4
Fe
9.8
Al
11.0
Ti
12.6
B
1.8
ribbon with a grain size of 98 nm.
图
2 Tensile properties of NC core-shell structured NiCoFeAlTiB samples.
图
3 Plastic deformation mechanisms of the NC core-shell structured NiCoFeAlTiB samples with d=98 nm. (
图
4 Thermal stability of the NC core-shell structured NiCoFeAlTiB samples.
