Lu T W, Sun B H, Li Y, et al. Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys[J]. Nature, 2025.
Lu, Ti Wen, et al. Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys[J]. Nature (2025).
Lu, T. W., Sun, B. H., Li, Y., Dai, S., Yao, N., Li, W. B., Dong, X. Z., Chen, X.Y., Niu, J. C., Ye, F., Alisson, K. S., Zhu, S. Y., Xie, Y., Yang, X. F., Deng, S. H., Tan, J. P., Li, Z. M., Ponge, D., He, L. H., Zhang, X. C., Raabe, D., Tu, S. T. (2025). Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys. Nature.
背景简介
随着我国在极地、深海、深空及能源等极端环境领域的持续探索，低温严苛工况对金属结构材料的综合力学性能提出了前所未有的挑战。在此类环境下，结构材料不仅需要具备高强度，还必须兼顾优异的延展性与断裂韧性。然而，低温强韧性协同提升始终是工程应用中的世界性难题。一方面，许多传统合金在温度降低时会经历“韧–脆转变”，失去延展性和韧性，极易导致结构件突然失效；另一方面，常见的强化机制（如沉淀强化）通过阻碍位错运动来提升强度，但如果第二相颗粒过大或分布于晶界，就会在材料内部产生应力集中，反而成为裂纹萌生的隐患。正因如此，适用于低温工况的组织调控方法依然十分有限，难以满足重大低温工程对高可靠关键部件的需求。通过对材料熵和焓的同步精准调控，可以在CoNiV基中熵合金内形成高密度的短程有序结构（SRO）与纳米长程有序（NLRO）的双尺度纳米结构，该结构使得材料在临近液氮温度下获得超高抗拉强度和低温断裂韧性，该研究成果将为极端低温环境服役的关键构件制造提供全新材料设计思路。
成果介绍
近年来，以SRO为代表的有序结构成为金属材料研究热点，但是对于SRO构型表征及其对材料力学性能的调控仍有很大提升空间。本研究以固溶强化效应明显的面心立方VCoNi基中熵合金为模型材料，通过细致的热力学计算与工艺调控发现了高数量密度的SRO与NLRO结构共存的状态。机器学习结合三维原子探针（ML-APT）的方法揭示了中温时效使得VCoNi系中熵合金产生了L11和L12构型的两种SRO结构（0.6 nm），源于基体的不同元素对（V-Co和V-Ni）近邻偏好；而添加与基体材料具有最大混合焓的Ti和Al元素后，在材料内部形成了富Ti的L12构型的NLRO结构（1.6 nm）。低温力学性能测试显示：不同于传统的SRO对面心立方多组元合金的强度提升不明显，在不损伤材料塑性的情况下，SRO明显提升了VCoNi基合金的低温屈服强度（140 MPa），但是对材料加工硬化行为没有明显提升效果；相比于SRO，共格NLRO的存在对位错和层错运动有更强的阻碍效应，不仅提升了材料屈服强度（163 MPa），还能提升材料的低温加工硬化能力。同时，有别于大尺寸析出相，极低晶格错配度（0.04%）使得NLRO在低温变形过程中发生无序化行为，不会诱发严重的位错塞积和应变局域化行为。双尺度纳米有序微结构对低温强韧化的协同机制为我国重大低温工程的材料设计提供新思路。
（1）图1显示了双尺度纳米结构强化合金的微观组织，通过热力学调控的固溶与时效处理，成功在面心立方（fcc）基体中同时构建了SRO和NLRO两种有序结构。合金具有均匀的再结晶晶粒结构。透射电镜图像显示，SRO和NLRO域的数密度高达约2.4 × 1026 m-3和4.5 × 1025 m-3，平均尺寸分别为为0.6 ± 0.2 nm 和1.6 ± 0.7 nm。中子衍射分析表明NLRO结构体积分数为13.7%。原子探针断层扫描（APT）进一步揭示NLRO域中Ti和Ni元素的富集。这种高密度、双尺度的有序结构有效限制了位错平均自由程，提升了临界分切应力。
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图1 双尺度有序强化的多组元合金的多尺度微观表征
（2）在87 K低温拉伸实验中，双尺度有序结构的多组元合金表现出优异的屈服强度-强塑积匹配（图2），同时具有较高的低温断裂韧性。通过对比不同热处理状态的样品，研究发现SRO可提升屈服强度约140 MPa，但对应变硬化能力影响有限；而NLRO域除提供约167 MPa的强度增益外，还显著提升了低温应变硬化率，这是维持高塑性的关键。当析出相尺寸增大（~25 nm）、晶格错配度升高（0.15%），导致界面应力集中加剧，延展性会急剧下降。
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图2 双尺度有序强化的多组元合金低温拉伸性能及其与其他低温用结构材料对比
（3）图3显示了双尺度纳米有序合金的低温变形机制。为进一步揭示NLRO域对低温应变硬化机制的贡献，系统表征了不同应变下的变形亚结构。在6%应变时，合金中形成大量堆垛层错（SFs），NLRO域在位错滑移带之间保持结构完整。应变场分析显示，SFs与NLRO域交互作用处存在高弹性应变集中，表明NLRO对位错运动具有阻碍作用。在15%应变时，滑移带之间出现大量非平面位错和位错环，这些位错源于NLRO域对不全位错的钉扎，促使位错重组、双交滑移和新位错环形核。随着应变增至30%，位错密度显著升高，形成高密度位错网络，同时滑移带内的NLRO发生了无序化行为，不会引发局部应变化行为。采用中子衍射测得的位错密度演变曲线显示，含NLRO的样品位错增殖速率更高，符合Taylor硬化模型预测，进一步验证了低温变形下NLRO域通过促进位错增殖提升应变硬化能力的机制。
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图3 双尺度有序强化的多组元合金在低温变形过程的微结构演化
致谢
这项工作得到了国家重点研发计划（2022YFB4602100）的资助。本文第一作者：陆体文（华东理工大学）、孙彬涵（华东理工大学），本文通讯作者：张显程（华东理工大学）、Dierk Raabe（Max Planck Institute for Sustainable Materials）。
本期小编 陆体文（整理）
孙 彬 涵（审核）
董乃健（发布）
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