延性B2金属间化合物驱动的异质层状多主元合金中的强度-延性协同效应

《Advanced Science》：Ductile B2 Intermetallics-Driven Strength-Ductility Synergy in Heterolaminated Multi-Principal Element Alloys

　　

传统的金属间化合物强化合金总是遭受强度-延性权衡，因为脆性的η, σ, 和 μ 相在界面处析出并引发过早失效。在此，研究人员通过精心设计其B2金属间化合物相，使其不作为裂纹引发者，而作为延性的承载组分，在多主元合金（MPEA）中颠覆了这一范式。通过多组分化学复杂性、预先存在的位错和局部成分波动所实现的内在相韧化，研究人员证明B2相能够维持连续的位错滑移和增殖。同时，研究人员施加了面心立方（FCC）和B2区域的异质层状结构，这促进了应变离域化并重新分布应力以抑制界面开裂。由此产生的协同效应在室温下达到了卓越的力学性能组合：屈服强度1.24 GPa，极限抗拉强度1.57 GPa，均匀延伸率20%，以及在宽应变范围内超过3 GPa的高应变硬化率。这些发现建立了一种通过将延性金属间化合物相与介观尺度异质性相结合来克服结构材料中长期存在的强度-延性权衡的新设计策略。

在结构材料设计中，同时实现高强度与大延性一直是一个核心难题，这一固有的强度-延性权衡源于强化机制与塑性容纳机制之间的根本性矛盾。多主元合金（MPEA）因高构型熵和严重晶格畸变而展现出优异的综合性能，但单相面心立方（FCC）MPEA虽具高延性，却缺乏承载所需的屈服强度。传统沉淀强化路径中，非可剪切的金属间化合物（如η, σ, μ相）会在界面处引发位错堆积和应力集中，导致早期断裂。B2有序金属间化合物（如NiAl）因有限的滑移系和强方向性键合而被视为脆性相，其体积分数增加时必然导致脆化。尽管研究人员探索了多种策略（如细化沉淀、激活额外滑移系、实现B2纳米沉淀剪切），但高B2含量下的损伤容限仍难以维持。为此，本研究在Ni₂FeVAl_0.5 MPEA中提出了一种双策略设计：通过内在相韧化将B2金属间化合物转化为延性承载组分，同时通过异质层状结构实现应变离域化和应力重新分布，从而抑制界面脱粘。该研究发表在《Advanced Science》。

研究人员开展了系统的实验研究，以验证上述设计策略。通过严重冷轧和850°C退火制备了含延性有序金属间化合物（B2相）的DOI合金。主要采用X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、扫描透射电子显微镜（STEM）结合能谱（EDS）、选区电子衍射（SAED）、原子探针层析（APT）等微观表征技术，揭示了双相层状结构、B2相内高密度位错及局部化学波动。力学性能测试方面，进行了微柱压缩、单轴拉伸、加载-卸载-再加载（LUR）试验，并结合原位SEM拉伸与数字图像相关（DIC）分析，以及不同应变下的透射电镜（TEM）位错子结构观察。所有样品均为实验室制备，无特定样本队列来源。

在2.1 Microstructures部分，通过XRD确认了FCC和B2双相结构，EBSD揭示了交替的等轴再结晶FCC层（平均晶粒尺寸0.94 μm）和板条状部分再结晶B2层，B2相体积分数高达52 vol.%。STEM-EDS显示B2相富含Ni和Al，APT进一步揭示了B2域内纳米尺度的化学波动（NiAl富集区和VFe富集区），偏差达±9 at.%。TEM观察到B2相内高密度位错（1.08×10¹⁴ m^-2），而FCC区域几乎无位错，高分辨TEM结合几何相位分析显示了位错周围的原子尺度晶格应变。

在2.2 Mechanical Response部分，微柱压缩实验表明FCC柱屈服于1.18±0.12 GPa并出现间歇性载荷下降，而B2柱表现出连续应变硬化，平均屈服应力1.95±0.18 GPa，30%应变时强化至4.56 GPa，且无载荷下降，证实了B2相的内在延性。单轴拉伸测试显示DOI合金室温屈服强度1.24 GPa，极限抗拉强度1.57 GPa，均匀延伸率20%，断口呈韧窝形貌，并具有多级应变硬化阶段，硬化率在宽应变范围内超过3 GPa。LUR测试揭示了显著滞后回线，定量计算出异质变形诱导（HDI）应力，其随应变增加而增大，表明HDI应力是屈服强度和应变硬化的主要贡献者。

在2.3 Microstructure Evolution of Deformed FCC and B2 Phases部分，通过TEM观察不同应变下的位错演化：5%应变时FCC呈现平面滑移，B2位错密度无明显增加；10%应变时FCC形成高密度位错墙，B2位错密度增至三倍；16%应变时FCC发展为密集位错林，B2形成均匀的泰勒点阵结构，这些有序位错网络作为动态障碍。原位SEM-DIC显示应变优先集中在FCC层，随后逐渐激活B2相的塑性，最终实现两相协调变形。EBSD分析表明变形后无孪晶或相变，但B2相的KAM值从0.64°增至1.32°，表明几何必需位错（GND）密度增加，增强了应变硬化。

在讨论部分，3.1 Origin of Ductile B2 Intermetallics总结了B2相延性的三个起源：从二元NiAl转变为多组分Ni(Al,Fe,V) B2相降低了反相畴界能和化学有序能，有利于位错激活；纳米尺度化学波动（源于不完全元素分配）产生原子尺度异质性，阻碍位错运动并增强相互作用；B2相内高密度预存位错促进加载下的位错增殖。这些因素共同将B2相从脆性裂纹源转化为延性组分，其显著加工硬化延迟了颈缩。

3.2 Formation of Heterogeneous Lamellar Structure部分阐述了介观层状结构的关键作用：铸态Ni₂FeVAl_0.5合金具有FCC和B2双相组织，经90%冷轧后拉伸成严重变形的层状堆叠，B2区域积累高密度位错和滑移带，FCC带演变为纳米层状结构。850°C退火后，FCC层完全再结晶为超细等轴晶，同时Ni-Al过饱和驱动B2颗粒沿晶界析出，产生强烈的Zener钉扎效应，抑制晶粒粗化。这种异质层状结构通过应变离域化和应力重新分布，抑制了界面开裂，并协同B2相的内在延性实现了卓越的强度-延性组合。

研究结论部分可翻译为：这些发现建立了一种通过将延性金属间化合物相与介观尺度异质性相结合来克服结构材料中长期存在的强度-延性权衡的新设计策略。