重磅Nature！华东理工大学涂善东/张显程团队提出双尺度化学有序纳米结构设计突破低温强塑瓶颈

▲ 《自然》期刊发表

承压系统与安全教育部重点实验室

最新研究成果

随着我国在极地、深海、深空及能源等极端环境领域的持续探索，低 温严苛工况对金属结构材料的综合力学性能提出了前所未有的挑战。在此类环境下，结构材料不仅需要具备高强度，还必须兼顾优异的 延展性与断裂韧性。然而，低温强韧性协同提升始终是工程应用中的世界性难题。一方面，许多传统合金在温度降低时会经历“韧–脆转变”，失去延展性和韧性，极易导致结构件突然失效；另一方面，常见的强化机制（如沉淀强化）通过阻碍位错运动来提升强度，但如果第二相颗粒过大或分布于晶界，就会在材料内部产生应力集中，反而成为裂纹萌生的隐患。正因如此， 适用于低温工况的组织调控方法依然十分有限，难以满足重大低温工程对高可靠关键部件的需求。

华东理工大学张显程教授、涂善东院士团队与德国马普所Dierk Raabe教授团队的合作研究发现，通过对材料熵和焓的同步精准调控，可以在CoNiV基中熵合金内形成高密度的短程有序结构（SRO）与纳米长程有序（NLRO）的双尺度纳米结构，该结构使得材料在临近液氮温度下获得超高抗拉强度和低温断裂韧性， 该研究成果将为极端低温环境服役的关键构件制造提供全新材料设计思路。

【研究成果】

① 实现高密度SRO与LRO共存的“双尺度化学有序”纳米结构

高数量密度（约4.5×1025m−3）的纳米级 L12长程有序（NLRO）结构，NLRO 结构域是密排的 Ni3(Ti，Al)型L12沉淀物的前驱体，通常由调幅分解形成。

CoNiV-AlTi 样品的微观结构和双尺度化学有序结构

② 87K下合金低温力学性能

87K下合金屈服强度1.2GPa、抗拉强度1.8GPa、均匀延伸42.6 %，强塑积76 GPa%，比已报道低温合金提高约60%；同时显著提高断裂韧性至338.4 MPa m0.5。SRO使屈服强度提升~140MPa，但几乎不改变加工硬化率；引入LRO后额外提升屈服强度~167MPa，并显著提高加工硬化率~1GPa，归因于LRO阻碍位错并激发非平面滑移及位错倍增。

87K下的低温拉伸性能

87K下的低温断裂韧性

③ NLRO域对应变硬化机制的贡献

LRO阻碍堆垛层错并诱发位错环、双交滑移和Frank-Read源，导致 位错密度增速提高约1.3倍，释放应力集中而延缓颈缩。位错的进一步滑动最终将触发它们的相互作用以及与滑移带的相互作用，从而导致位错带之间出现高密度的位错网络。

CoNiV-AlTi 合金的典型变形亚结构

不同有序结构的样品（CoNiV-AlTi、CoNiV（SS）和 CoNiV（SSA）样品）的温度依赖性力学行为

CoNiV（SS）、CoNiV-AlTi（SS）和CoNiV-AlTi 样品在 87 K 时变形至 15%应变的位错组态比较

CoNiV-AlTi合金低温变形至30%的变形微观组织

【总结与展望】

双尺度的短程到长程化学有序策略限制了位错的平均自由程，并在低温下提供了更高的摩擦应力和更快的位错倍增率，可以显著改善合金在低温下的力学性能；该策略拓宽了微观结构设计手段，对提升合金低温环境力学性能具有普遍性，为未来低温材料的发展指明了方向。

华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室为论文第一作者单位和第一通讯单位。陆体文博士和孙彬涵教授为论文共同一作，张显程教授和德国马普可持续材料研究所的Dierk Raabe教授为论文共同通讯作者。李跃博士和董喜振博士团队（马普可持续材料研究所）、戴升教授团队（华东理工大学）、何伦华教授团队（中国散裂中子源）、李志明教授团队（中南大学）参与了研究工作。近年来，华东理工大学张显程教授、涂善东院士团队围绕重大低温工程实施的迫切需求，在国家重点研发计划等项目的支持下，针对极低温环境下重要装备的材料设计与抗疲劳制造，开展了系统研究。

来源：华东理工大学机动学院 材料强化与防护

随着我国在极地、深海、深空及能源等极端环境领域的持续探索，低温严苛工况对金属结构材料的综合力学性能提出了前所未有的挑战。在此类环境下，结构材料不仅需要具备高强度，必须兼顾优异的延展性与断裂韧性。低温强韧性协同提升始终是工程应用中的世界性难题返回搜狐，查看更多