圖  Ni50Co50合金中由納米尺度晶粒（a、b、c）和晶內(nèi)多尺度成分起伏（d、e、f）構(gòu)成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。成分起伏呈三維網(wǎng)絡(luò)分布（g），且不同成分的區(qū)域之間由“成分邊界”分隔開(kāi)來(lái)（h）。（i）Ni50Co50合金的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。圖中還給出了納米晶Ni、納米晶Co和多層納米結(jié)構(gòu)NiCo合金在相同應(yīng)變速率下的拉伸曲線(xiàn)作為參考和對(duì)比。（j）納米晶金屬材料屈服強(qiáng)度-強(qiáng)塑積關(guān)系圖, 表明具有多尺度成分起伏的納米晶NiCo合金實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提升。在不同應(yīng)變速率下測(cè)得的不同批次的納米晶Ni50Co50合金的性能用紅色五角星表示

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51931004、51601067、52171011、51571120、51604156、91963112）等的資助下，西安交通大學(xué)丁向東教授、馬恩教授，吉林大學(xué)韓雙副教授，南京理工大學(xué)沙剛教授與澳大利亞悉尼大學(xué)廖曉舟教授等合作，在超高強(qiáng)塑性納米合金研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“基于成分起伏的強(qiáng)塑性協(xié)同提升（Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation）”為題，于2022年4月13日在《自然》（Nature）上在線(xiàn)發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w。

　　當(dāng)金屬材料內(nèi)部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強(qiáng)度將依Hall-Petch關(guān)系大幅度提高。但當(dāng)納米晶金屬塑性變形時(shí)，位錯(cuò)變得極難在如此小的晶粒內(nèi)部保留下來(lái)，導(dǎo)致材料喪失應(yīng)變硬化能力，很容易發(fā)生塑性變形的局域化而導(dǎo)致材料失穩(wěn)。強(qiáng)度與塑性之間的倒置關(guān)系成為了制約以納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的高性能金屬材料發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

　　針對(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)超高強(qiáng)納米金屬的應(yīng)變硬化提出了一種新的機(jī)制，并依此路徑設(shè)計(jì)了新穎的高性能合金。以NiCo合金作為模型材料，利用脈沖電沉積工藝，在面心立方單相濃固溶體合金中構(gòu)筑出了由納米晶粒（晶粒尺寸26 nm）及其內(nèi)部多尺度成分起伏（1~10 nm）組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)（圖a—h）。制備中有意加劇的成分起伏促成了層錯(cuò)能和晶格應(yīng)變場(chǎng)的明顯起伏，其發(fā)生的空間尺度恰好能有效地與位錯(cuò)交互作用，從而改變了位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)行為，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出遲滯、間歇、纏結(jié)的特征。這一方面促使位錯(cuò)在納米晶粒內(nèi)部有效增殖存儲(chǔ)，提高了材料的應(yīng)變硬化能力；另一方面，提高了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)變速率敏感性，提升了應(yīng)變速率硬化能力。在應(yīng)變硬化與應(yīng)變速率硬化的共同作用下，該納米合金在超高流變應(yīng)力水平上展現(xiàn)出獨(dú)特的強(qiáng)度與塑性的優(yōu)化配置，達(dá)到了單相面心立方金屬（包括傳統(tǒng)的溶劑-溶質(zhì)固溶體）前所未有的新高度（圖i—j）：材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到1.6 GPa，最高拉伸強(qiáng)度接近2.3 GPa，拉伸斷裂應(yīng)變可達(dá)16%。要實(shí)現(xiàn)這樣的強(qiáng)塑性，過(guò)去要靠超高強(qiáng)鋼，但后者均為復(fù)雜多相、且易發(fā)生呂德斯帶形變和韌脆轉(zhuǎn)變。

　　本研究中展示的是一種基于納米尺度（1~10 nm）明顯成分起伏與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)間相互作用的強(qiáng)化機(jī)制，不同于基于原子半徑差的傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化—即單個(gè)溶質(zhì)原子與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)間的相互作用。通過(guò)選擇合適的合金體系或制備工藝，這一結(jié)構(gòu)-成分復(fù)合調(diào)控理念可望為新型合金材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)開(kāi)辟新的思路。