纳米孪晶镍合金中缺陷孪晶界偏析实现高强度与高延展性的协同提升

本研究针对纳米孪晶(NT)材料中孪晶界(NTB)因台阶缺陷导致软化的问题，通过轧制与退火工艺在Ni-Cr合金中实现Cr原子在NTB台阶处的偏析。研究发现Cr偏析可提升NTB临界分切应力86 MPa，使材料屈服强度达1350 MPa的同时均匀延伸率提升至7%。该工作为通过缺陷工程调控金属材料强塑性提供了新思路。

　　

在金属材料领域，纳米孪晶(Nano-twinned, NT)结构因其独特的界面效应，被认为是突破材料强度-塑性"倒置关系"的关键途径。然而随着研究的深入，科学家们发现理想中的完美孪晶界(Twin Boundary, TB)在现实中往往布满台阶缺陷，这些由不全位错构成的缺陷在变形过程中会成为"软模式"，导致材料在纳米尺度下出现反常软化现象。特别是在316L不锈钢等变形诱导纳米孪晶材料中，实测硬度显著低于Hall-Petch关系预测值，这一现象严重制约了纳米孪晶材料的工程应用。

为攻克这一难题，南京理工大学等机构的研究人员选择Ni-Cr-W系低层错能合金为研究对象，通过冷轧和精确控温退火工艺，成功实现了Cr原子在缺陷孪晶界(Nano-twin Boundary, NTB)台阶处的选择性偏析。研究发现这种局域化学有序化不仅能钉扎位错运动提升强度，还可促进位错积累改善塑性。相关成果以封面文章形式发表于《Scripta Materialia》，为发展高性能结构材料提供了全新思路。

研究团队综合运用了多种先进表征技术：通过透射电子显微镜(TEM)和原子分辨率能谱(EDS)解析NTB台阶的原子构型；采用原子探针断层扫描(APT)三维重构Cr偏析域；利用同步辐射X射线衍射(SXRD)结合Williamson-Hall法计算位错密度；开发微型拉伸试样结合电子背散射衍射(EBSD)测定NTB临界分切应力。所有试样均取自相同批次的轧制板材，确保数据可比性。

微观结构演变
冷轧样品中平均孪晶/基体(T/M)层厚为25.2 nm，HAADF成像显示NTB存在高密度台阶。经500°C/72h退火后，Cr偏析浓度达12%，APT显示偏析域沿孪晶面有序分布。值得注意的是，退火过程中T/M层厚仅从25.2 nm增至31.9 nm，表明Cr偏析显著提升了NT结构的热稳定性。

力学性能突破
微型拉伸测试揭示：Cr偏析使NTB临界分切应力从422±15 MPa提升至508±20 MPa。宏观力学测试显示，优化处理的样品实现1350 MPa屈服强度和7%均匀延伸率，较未退火样品分别提升6.3%和250%。SXRD证实退火样品在变形过程中位错密度增幅达2.14×10¹⁴
m^-2
，远高于未处理样品的0.2×10¹⁴
m^-2
。

变形机制解析
变形后TEM观测发现：Cr偏析域边缘处出现新台阶，而中心区域仍保持钉扎状态，证实偏析域通过弹性应变场阻碍位错运动。这种"选择性解锁"机制既能维持初始强化效果，又允许位错在应力集中区逐步释放，从而实现持续加工硬化。

该研究首次在块体合金中证实：溶质原子偏析可同步优化纳米孪晶材料的强度和塑性。具体表现为：(1)Cr偏析通过化学钉扎提升NTB稳定性，抑制"软模式"激活；(2)偏析域产生的弹性应变场促进位错存储，突破传统纳米孪晶材料加工硬化能力不足的瓶颈。这种"缺陷工程"策略为开发新一代高强韧金属材料提供了普适性方法，在航空航天、核反应堆等极端环境用材领域具有重要应用前景。