導讀：具有超高強度和不尋常物理性能的納米層材料對於各種結構應用非常重要。然而，這些材料通常具有低拉伸延展性，這嚴重限制了它們的實際用途。本文表明，在共格納米層狀合金中可以實現顯著增強的拉伸延展性，該合金表現出超過2 GPa的屈服強度和16％的均勻延伸率的前所未有的優異組合。超高強度主要來自層狀邊界強化，而大的延展性則與由獨特的納米層狀結構調節的漸進加工硬化機制有關。共格納米層策略可以潛在地應用於許多其他合金，並為設計用於技術應用的超強而可延展的材料開闢新的途徑。
具有超高強度和出色延展性的先進結構材料對於包括航空航天，運輸和能源行業在內的各種技術應用都是非常需要的。 含高密度界面的納米層合金由於其特殊的界面驅動性能，如極高的強度而備受關注。不幸的是，這些材料通常受到嚴重的限制——缺乏拉伸延性，通常小於5%的延伸率，均勻變形區域甚至更有小。這使得它們難以製造，在承重應用中容易發生災難性故障。材料的強延性權衡一直是材料學界關注的問題。
近年來， 一些非均質納米結構，如梯度結構、雙峰結構、諧波結構和分層結構，已被證明具有提高納米材料拉伸延性的潛力，從而改善強度-延性協同。然而，這些方法通常產生的材料強度有限(約為1 GPa)，因為微觀結構異質性的產生需要一些粗尺度的微觀結構，從而犧牲強度。 相比之下，對於強度高達2 GPa的納米層狀合金，脆性仍然是其致命弱點，這可以歸因於缺乏加工硬化和非共格層狀邊界處嚴重的應變局部化。此外，大多數納米層合金是通過電沉積和嚴重塑性變形等方法以薄膜/片的形式製備的，這些方法不容易適用於實際應用所需的大體積部件。因此，開發超高強度、韌性和可伸縮的納米層合金是非常可取的，但極具挑戰性。
在這裡， 香港理工大學焦增寶博士和香港城市大學劉錦川院士團隊克服了這些關鍵的挑戰，並推動了新型納米層合金的發展， 在共格納米層狀合金中實現超過2 GPa的屈服強度和16％的均勻延伸率，展示了合金超高強度和拉伸延展性的前所未有的組合，並可以通過傳統的鑄造和熱機械處理生產。作者通過創造納米厚的薄片，以達到極高的強化目的，同時保持一致的薄片邊界，可以抑制應力集中和容納塑性應變，從而促進納米結構材料的加工硬化和拉伸延展性。相關研究成果以題「Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures」發表在Nature communications上。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20109-z#article-info 
作者選擇Ni-Fe-Co-Cr-Al-Ti多組分合金作為模型系統，因為它們提供了由無序面心立方（FCC）和有序FCC（L12）具有小的晶格失配的相，滿足形成共格邊界的要求。共格的層狀邊界有助於位錯傳遞，從而消除了邊界處的應力集中。與此同時，變形引起的分層堆垛層錯網絡和相關的高密度Lomer-Cottrell鎖增強了加工硬化響應，從而導致異常大的拉伸延展性。
圖1：共格納米層（CNL）合金的拉伸應力-應變曲線。 
圖2：CNL合金的獨特納米層結構。a，b超細晶粒內FCC和L1 2納米薄片的明場和暗場TEM微觀結構。c FCC和L12納米薄片厚度的統計分布。d高解析度TEM圖像，顯示了FCC / L1 2層狀邊界的界面相干性。e APT表徵FCC和L1 2納米薄片的元素分配和組成。
「過飽和FCC固溶→L12 + FCC薄片」是在相對較低的600°C溫度下形成的。在該溫度下，本體擴散被顯著抑制，這在動力學上抑制了球形納米顆粒的連續沉澱。相反，超細晶粒結構促進了納米片晶的不連續沉澱，因為高密度晶界不僅提供了許多成核位置，而且還通過晶界擴散促進了它們的生長，從而導致形成獨特的FCC / L12。整個基體的CNL體系結構。
圖3：CNL合金的塑性變形微觀機制在2％應變下的變形微觀結構揭示了平行SF的激活（紅色箭頭）。b在5％應變下激活更多平面SF（紅色箭頭）。c在兩個{111}滑動平面（紅色和黃色箭頭）上以16％應變的高密度分層SF。d高解析度TEM圖像，顯示了在不同的{111}滑移相交系統中的分層SF網絡（白色虛線）和Lomer-Cottrell（LC）鎖（紅色點）。帶有交叉衍射條紋（黃色箭頭）的FFT圖像顯示了相交SF的存在，並且代表性SF的放大圖由BCABABCA堆疊序列標記。 
圖4：CNL合金與其他材料相比的拉伸性能。
總而言之， 作者通過工程納米薄片體系結構提出了一種高性能材料的創新設計理念，這導致了新的塊狀納米結構材料的開發，其在室溫下具有超過2 GPa的屈服強度和16％的均勻拉伸延展性，這是前所未有的組合。CNL材料的非凡機械性能為航空航天，汽車和能源行業的結構應用提供了巨大的潛力。此外，層狀建築工程的基本概念可以應用於許多其他金屬材料，包括新一代高溫合金，鈦合金，高級鋼和HEA，以提高特定應用的性能。
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