西安交大Adv.Mater.：77K下復雜濃縮合金創(chuàng )紀錄的高強度和韌性

金屬結構材料的高強度和大拉伸延性是其工程應用的前提，特別是低溫環(huán)境所用材料的強-塑-韌性匹配尤為重要，以避免低溫脆性導致的災難性事故發(fā)生。這通常要求合金不僅具有高的屈服強度(YS, σy > 1.0GPa)，還要高加工硬化率(WHR, Θ)以實(shí)現大均勻延伸率(UE, ?u > 15%)和高抗拉強度(UTS, σUTS > 2.0GPa)。目前，廣泛使用的低溫合金(如316L不銹鋼)難以滿(mǎn)足上述要求，其原因在于它們使用的強化相(如BCC相、B2相等)體積分數低且具有低溫脆性，急劇損失合金的塑韌性。與傳統低溫鋼相比，提升合金低溫性能的有效途徑是采用復雜濃縮合金的設計理念，這涉及到采用多種主元素以再形成富鐵FCC復雜濃縮合金。盡管單相FCC復雜濃縮合金具有高塑性/韌性，但是其強度通常較低，特別是具有相變誘導塑性(TRIP)效應的FCC復雜合金的屈服強度極低，導致材料韌性也難以滿(mǎn)足需求。 針對上述問(wèn)題，西安交大金屬材料強度國家重點(diǎn)實(shí)驗室孫軍院士團隊受鐵基和鎳基高溫合金微觀(guān)結構的啟發(fā)，提出使用高體積分數共格 L12納米析出相強化FCC富鐵復雜濃縮合金(CCA)基體。為了實(shí)現低溫高強度大延性/韌性，該合金的設計思想是在FCC基體中構筑超高密度的雙功能共格L12納米析出相，一方面L12相作為位錯障礙以顯著(zhù)增強屈服應力，另一方面在足夠高的應力水平下使其作為位錯源被激活，提供充足的不全位錯以實(shí)現高加工硬化性能，從而實(shí)現大均勻延伸率。特別是，超高密度的納米L12析出相在發(fā)生孿生變形的同時(shí)顯著(zhù)提升了合金的流變應力水平，使得在低溫77K拉伸時(shí)FCC基體轉變?yōu)锽CC相，通過(guò)此TRIP效應進(jìn)一步提升了合金的加工硬化率(WHR > 4GPa)。由于復雜濃縮合金相變產(chǎn)生的BCC相中螺位錯和刃位錯在高應力水平下具有相近的可動(dòng)性，從而避免了FCC-BCC轉變所誘發(fā)的低溫脆性，這與傳統的富碳馬氏體的FCC-BCT相變誘發(fā)的低溫脆性截然不同。為此，團隊基于領(lǐng)域知識輔助的機器學(xué)習進(jìn)行了合金設計，獲得了L12析出強化型Fe35Co29Ni24Al10Ta2復雜濃縮合金，其L12相的尺寸約10nm、體積分數高達≈ 65±3 vol.%，從而在液氮溫度下實(shí)現了前所未有的性能組合，即YS ≈ 1.4GPa，UTS ≈ 2.25GPa，UE ≈ 45%和WHR > 4GPa