破解强度-塑性倒置难题：非基底滑移活化实现中熵合金超强韧化

针对金属材料强度-塑性倒置的瓶颈问题，南京工业大学团队通过设计NiCoCr0.5V0.5中熵合金（MEA）的fcc/DO19双相超细晶（UFG）结构，首次激活DO19有序纳米层片中的非基底滑移机制。该合金在液氦温度（4.2 K）下实现2100 MPa超高屈服强度（σy）和15.5%均匀延伸率（εu），突破了传统脆性金属间化合物（IMCs）的限制，为超强韧合金设计提供了新范式。

　　

研究背景：金属材料的"鱼与熊掌"困境

在航空航天、能源装备等领域，同时具备超高强度与优异塑性的金属材料是行业长期追求的"圣杯"。然而，传统合金面临典型的强度-塑性倒置（strength-ductility trade-off）矛盾：提升强度往往以牺牲塑性为代价。尤其当温度降至液氮（77 K）或液氦（4.2 K）范围时，多数高强度钢和合金会发生脆性断裂，引发严重安全隐患。近年来兴起的多主元中/高熵合金（MEAs/HEAs）虽展现出优异低温韧性，但其屈服强度普遍低于1.5 GPa，难以满足极端服役需求。

研究突破：脆性相的"柔性觉醒"

南京工业大学材料科学与工程学院陈光教授团队联合国际合作者，在《Nature Communications》发表创新研究。团队通过设计NiCoCr_0.5V_0.5 MEA的独特微观结构——由面心立方（fcc）超细晶基体与DO₁₉型有序金属间化合物纳米层片构成的双相架构（图1a-e），成功激活了传统脆性DO₁₉相中的非基底滑移机制（non-basal slip），实现了强度与塑性的协同突破：

关键技术路线

1. 材料制备：通过磁悬浮熔炼-热锻-冷轧（96%变形量）-750℃退火，构建平均晶粒尺寸120 nm的完全再结晶fcc基体与DO₁₉纳米层片（体积分数24.2%）。

2. 结构解析：结合三维原子探针（3D-APT）与扫描透射电镜（STEM）证实DO₁₉相为V富集的Ni₃Sn型有序超晶格（图2g, 3a-b），与fcc基体保持共格界面。

3. 力学测试：在1×10^-3 s^-1应变速率下进行298 K至4.2 K宽温域拉伸实验，结合原位中子衍射（ND）监测缺陷演化。

4. 变形机制解析：通过弱束暗场TEM与分子动力学（MD）模拟，量化非基底滑移临界分切应力（CRSS）。

核心发现

1. 双相超细晶结构的构建与表征

冷轧退火后形成平均厚度120 nm、长径比3.5的DO₁₉层片，与fcc基体满足特定晶体学取向关系：<110>_fcc//<11?20>_DO19（图2c-e）。APT揭示DO₁₉相成分为Ni_34.67Co_35.08Cr_11.50V_18.75（at.%），其超晶格结构经DFT计算证实为热力学稳定相（图3d）。

2. 突破性的力学性能

合金在4.2 K下实现σ_y=2146 MPa与ε_u=15.5%的协同性能（图4a），远超同类材料：

• 低温强化：77 K下σ_y达2095 MPa，较室温（1575 MPa）提升33%。

• 反常温度效应：随温度降低，应变硬化率显著升高（图4b），打破传统合金低温脆化规律。

  

3. 非基底滑移的低温激活机制

• 关键现象：在77 K变形初期，DO₁₉相即出现<2c+a>型锥面位错（图5e,h），而室温下仅在断裂前出现。

• 理论机制：MD计算表明，DO₁₉相锥面滑移CRSS高达800-875 MPa（图7i）。fcc基体通过晶界强化+固溶强化提供超高位错应力（>2 GPa），使Schmid因子0.4的锥面系达到激活阈值。

  

4. 多级应变硬化协同

• fcc基体：低温下形成纳米层错网络（间距≈10 nm）和Lomer-Cottrell锁（图6a插图），通过动态Hall-Petch效应提升硬化能力。

• DO₁₉相：非基底滑移协调c轴变形，避免界面应力集中，原位ND显示77 K下层错概率（SFP）较室温提高50%（图6a）。

结论与意义

本研究颠覆了DO₁₉有序相"固有脆性"的传统认知，通过三重创新实现强度-塑性协同跃升：

1. 架构设计：fcc/DO₁₉双相超细晶结构将晶界强化（贡献σ_y≈1069 MPa@77K）与第二相强化（贡献σ_y≈711 MPa）结合。

2. 机制创新：利用多主元固溶产生的超高晶格摩擦应力，激活DO₁₉相锥面滑移，实现脆性相的"塑性化转型"。

3. 性能突破：在液氦温度下达成迄今金属材料最高强度-塑性匹配（σ_y>2.1 GPa, ε_u>15%）。

该工作为TiAl合金、高温合金等脆性金属