VCoNi合金中异质晶粒结构实现超高屈服强度与高延展性的协同强化机制

针对传统均匀晶粒结构金属材料存在的强度-塑性权衡难题，中国科学院研究人员通过热机械加工在VCoNi多主元合金中构建了两种异质晶粒结构（HGS）。研究发现，HGS通过几何必需位错（GNDs）与森林位错的协同硬化机制，结合应变分区效应，实现了1.6-2.3 GPa超高屈服强度下10%-29%的延展性，突破了传统合金的性能极限。该成果为高强韧材料设计提供了新范式。

　　

在金属材料领域，面心立方（FCC）结构合金因其优异的塑性著称，但提升强度往往以牺牲延展性为代价。传统强化手段如冷加工或晶粒细化虽能成倍提高屈服强度，却导致位错增殖困难，使加工硬化能力急剧下降。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重制约了高性能结构材料的应用。更棘手的是，在超细晶和纳米晶结构中，变形孪生和相变等增韧机制也会失效。面对这一世界性难题，中国科学院的研究团队另辟蹊径，选择具有严重晶格畸变特性的VCoNi多主元合金（MPEA）作为模型材料，通过创新设计异质晶粒结构（HGS），成功实现了强度与塑性的协同提升，相关成果发表在《Materials Science and Engineering: A》。

研究团队采用电弧熔炼结合热锻轧制备合金坯料，通过控制再结晶退火工艺（1323 K/40 s）构建了两种HGS：HGS₁
为完全再结晶结构，包含超细晶（UFG, <1 μm）、细晶（FG, >1 μm）和200 nm级孪晶（TG）；HGS₂
则保留部分变形结构。借助电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）表征微观组织，结合室温（298 K）和低温（77 K）拉伸测试分析力学性能。

初始微观结构
EBSD分析显示HGS₁
中再结晶晶粒取向偏差小于1°，低角度晶界（GB）稀少，证实其高度再结晶特征。HGS₂
则保留带状变形组织，晶内存在高密度位错缠结。

力学性能突破
HGS₁
在室温和低温下分别实现1.6 GPa/19%和1.8 GPa/29%的强度-塑性组合；HGS₂
性能更优，达到1.9 GPa/10%和2.3 GPa/14%。这种性能远超传统合金，尤其在2 GPa级以上强度仍保持10%以上延伸率，堪称革命性突破。

协同硬化机制
研究揭示了HGS的"基本单元"机制：相邻软（FG）/硬（UFG或TG）晶粒在变形时产生应变梯度，诱发几何必需位错（GNDs）形成硬化边界影响区（HBAR）。该区域通过GNDs与森林位错的协同作用，既促进位错存储又延缓颈缩，实现了"边变形边强化"的动态过程。低温条件下，孪晶向超细晶转变的细化效应进一步强化了该机制。

结论与展望
该研究证实HGS可通过多尺度晶粒的应变梯度设计打破强度-塑性悖论。其创新性在于：首次在单相FCC合金中实现2.3 GPa级超高强度与显著塑性的结合；阐明GNDs与森林位错的协同硬化是性能突破的关键；为开发极端环境用高强韧材料提供了新思路。未来通过优化HGS层级设计，有望在更多合金体系中复制这一成功模式。研究团队Tian-wei Liu、Xiao-lei Wu等人的工作，标志着金属材料强韧化研究迈入了"异质设计"的新纪元。