引入界面來(lái)阻礙位錯運動(dòng)是材料強化常用手段。以往研究大多關(guān)注材料強度與其特征結構尺寸，亦即界面的“量”之間的關(guān)系。但對于界面結構、界面特性等“質(zhì)”的參量，由于難以定量表征和精確調控，人們對其在材料強化中的作用仍缺乏深入研究。調幅分解可在較大晶粒內形成雙連續納米雙相結構：兩相晶體結構相同且取向一致，且相界為（半）共格界面。該材料不僅具有優(yōu)異力學(xué)性能，也因其界面易于表征和變化可控而成為界面強化研究的模型材料。但此類(lèi)研究受制于調幅分解的有限合金體系和較窄成分調制幅度。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心金海軍團隊將脫合金腐蝕和電沉積相結合，在不發(fā)生調幅分解的合金體系中構筑出雙連續雙相納米結構，形成一種仿調幅分解結構合金（Spinodoid alloys：PNAS 120 (2023) e2214773120）。除了純金屬兩相界面的成分突變，新材料幾乎復刻了調幅分解結構的所有結構和界面特性，直至其高強度和變形行為。更重要的是，其錯配度和界面結構可大幅度調節，為定量研究界面的“質(zhì)”在強化中的作用提供了機會(huì )。近期，該團隊分別對完全互溶和不完全互溶典型合金開(kāi)展研究，在界面調控及其強化作用上取得進(jìn)展。
研究發(fā)現，對于固態(tài)完全互溶的Cu/Au和Ag/Au合金，其仿調幅分解納米雙相結構在高溫下可轉變?yōu)閱蜗喙倘荏w。但該反應并非簡(jiǎn)單的調幅分解逆過(guò)程，而是界面互擴散反應與不連續的形核長(cháng)大過(guò)程的競爭。此外，兩者在退火初期均出現強度先升后降的暫態(tài)強化“異常”現象。分析表明，這和界面擴散層內的固溶強化有關(guān)；且不同于傳統認識，該擴散層并非作為相而是作為界面參與強化。相關(guān)成果以“Thermally induced reaction and transient hardening of miscible spinodoid alloys”為題發(fā)表于 Acta Materialia 265 (2024) 119611。博士生關(guān)懷為第一作者。
對于兩相在固態(tài)部分互溶的仿調幅分解結構Cu/Ag合金，在兩個(gè)溫度間進(jìn)行循環(huán)熱處理可改變溶解度，實(shí)現界面錯配度的可逆變化。研究發(fā)現，該材料硬度強度也隨之發(fā)生可逆變化，且其幅度隨特征尺寸增大而減小，并在約500納米的臨界尺寸以上改變方向。這不僅反映了固溶強化與界面強化之間的競爭，也揭示了兩個(gè)機制所主導的不同結構尺度區間。研究還發(fā)現，對于如此簡(jiǎn)單的界面，現有模型仍不足以定量解釋其對位錯滑移的阻力，體現了界面強化自身的復雜性及其優(yōu)化的巨大空間。該工作以“Recoverable tuning of lattice mismatch and strength in ultrastable-nanostructured Cu/Ag spinodoid alloys”為題發(fā)表于A(yíng)cta Materialia 269 (2024) 119827。博士生楊勝男為第一作者。
需要指出的是，上述材料雖在加熱條件下因互擴散而發(fā)生溶質(zhì)再分布甚至兩相互溶，但其雙連續納米結構未見(jiàn)明顯粗化。這是上述研究得以開(kāi)展的前提條件。該結構的穩定性一方面得益于類(lèi)似于受限晶體的雙曲界面形態(tài)，另一方面源自?xún)上嚅g的低能半共格界面。后者的作用在此處可能更為關(guān)鍵。事實(shí)上，Cu/Ag合金經(jīng)多次熱循環(huán)后可在晶界附近觀(guān)察到局部粗化，而Cu/Au合金兩相反應的形核長(cháng)大也始于晶界而非相界。這說(shuō)明相較于（半）共格相界，晶界及界面間截交線(xiàn)等高能缺陷更易于誘發(fā)結構失穩。與傳統（半）共格多層納米復合材料相比，仿調幅分解結構含有更少的晶界、非共格相界等缺陷，因而更為穩定，并在界面調控及相關(guān)性能優(yōu)化和功能化探索等方面展現出獨特優(yōu)勢和巨大潛力。?
該工作得到國家自然科學(xué)基金和沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心基礎前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng )新項目的資助。
圖1. 仿調幅分解結構Cu/Au合金在退火條件下的界面結構演化和強度變化。（a）制備態(tài)和（b）退火初期Cu/Au合金樣品的EBSD圖像。（c）圖為（b）圖的結構示意圖。（d）退火初期新相形核生長(cháng)前沿的SEM照片；（e）制備態(tài)和（f）退火態(tài)樣品界面的HR-STEM照片；（g）不同結構尺寸Cu/Au合金的顯微硬度隨退火時(shí)間的變化。退火溫度為450 ℃。
圖2. 仿調幅分解結構Cu/Ag合金的微觀(guān)組織及硬度的往復調節。制備態(tài)Cu/Ag合金的（a）EBSD和（b）STEM圖像；（c）不同結構尺寸Cu/Ag合金硬度隨退火溫度的循環(huán)變化。
圖3. 退火調節Cu/Ag界面的準原位觀(guān)察。Cu/Ag合金在（a-c）700 ℃退火后和（d-e）300 ℃退火后界面的HR-STEM圖像。
文檔附件
