一个星期！连发2篇Science和2篇Nature Materials，金属材料的春天到了！

小纳米

2020-10-15

开发轻质、高强度、高塑性、耐高温等多种优异特性兼得的金属材料，是本领域科研人员孜孜以求的关键挑战。国庆前后，金属材料一周之内连续发表了2篇Science和2篇Nature Materials。

金属材料的春天，真的来了！

1. Science：超级合金不怕热！

耐火多重元素合金（MPEA）是非常有潜力的材料，可以满足抗腐蚀性能的需求，但需要探究不同的方法来适应这些合金的体心立方（bcc）结构体中的塑性变形。几个世纪以来，合金设计涉及采用非贵金属并添加少量其他元素以改善性能。例如，在铁中添加碳可增强强度，从而生成钢，而在镍中添加另一种元素，则可改善其抗腐蚀性能，从而生成不锈钢。复杂的高温合金具有复杂的成分，可在其熔点附近提供高性能，但它们仍基于几种主要元素，通常为镍，钴或铁。

有鉴于此，美国加州大学的Daniel S. Gianola教授课题组发表了由位错所引起的具有体心立方结构的多重元素合金MoNbTi材料中的均匀塑形变形性和强度的理想组合。位错滑移这一方法，对于提高合金材料的塑性和韧性是非常理想的。该结果解释了可塑性的变化原因，并支持了基于滑动机理而非固溶强化的高温强度的解释。

Fulin Wang et al. Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy. Science, 2020, 370, 6512, 95–101.

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/95

2. Science：厘清金属材料疲劳机制！

金属结构材料在强度和延展性之间提供了最佳的平衡。对于施加周期性载荷的应用，疲劳失效是所有金属材料的困扰。提高金属材料服役寿命，显得至关重要。在金属服役过程中，裂纹是如何产生并扩散，是金属疲劳研究中最具挑战性的议题之一。

有鉴于此，约翰霍普金斯大学Jaafar A. El-Awady等人通过高分辨电镜，探究了单晶镍金属材料的疲劳机制。镍单晶是一种典型的面心立方结构，研究人员设计了一个高频微疲劳实验，通过高分辨电镜实现了对微米级Ni单晶中的PSB形成过程的原位观察和表征。研究发现，PSBs在微晶体积内先局部成核，然后逐渐传播，直到它们跨越整个滑动区域。与整体规模相比，要使微晶中的PSB成核需要相对更大的循环次数（> 10⁶）。而且，根据前10个循环左右形成的滑移痕迹，可确定PSB最终形成裂纹的位置。这项研究为将微米级的变形机制与金属中整体规模的疲劳失效联系起来，为高性能金属的开发提供了新的思路。

Steven Lavenstein et al. The heterogeneity of persistent slip band nucleation and evolution in metals at the micrometer scale. Science 2020, eabb2690.

https://science.sciencemag.org/content/370/6513/eabb2690

3. Nature Materials：电塑性重构Ti-Al合金缺陷

几十年来，脉冲直流电在提高金属的成形性方面得到了广泛的应用。然而，人们在研究这种电脉冲加热效应的详细机制时，很难与简单的焦耳加热区分开。有鉴于此，加州大学伯克利分校Andrew M. Minor等人报道了Ti-7Al合金的电塑性行为，这种合金在缺陷构型方面特别适合于区分简单焦耳加热和电脉冲加热。

研究发现，脉冲电流可以显著改变缺陷的构型，从局域平面滑移到均匀的波状滑移。微观结构的这种急剧转变，在提高材料的延展性方面产生了有益的效果。研究表明，宏观电塑性行为源于缺陷级微结构重构，这不能用简单的焦耳加热来合理解释。此外，电塑性的临界阈值可能远低于标志着流变应力下降的临界电流。由于这种机制通过在变形过程中改变位错模式来提高强度和塑性，因此它只适用于塑性变形模式有限的材料，主要是通过平面或其他明显不均匀滑移变形的材料。这项研究不仅为电塑性的物理起源提供了新的见解，而且有助于改进相关合金的电脉冲处理，使其更适用于工业应用。

Zhao, S., Zhang, R., Chong, Y. et al. Defect reconfiguration in a Ti–Al alloy via electroplasticity. Nat. Mater. 2020.

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00817-z

4. Nature Materials：从原子尺度揭示金属硬化机制

一个多世纪以来，金属硬化机制始终不明朗。虽然有人提出，位错是赋予晶体可塑性的原因，但如何直接根据晶格位错的潜在行为来预测金属硬化，依然是一片朦胧。

有鉴于此，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Vasily V. Bulatov等人通过超级计算方法进行原子模拟，从统计学上进一步探索了宏观晶体的可塑性。研究人员明了分阶段（屈服）硬化是单轴应变下晶体旋转的直接结果。与文献中广泛分歧和矛盾的观点不一样的是，研究人员观察到，在金属硬化的所有阶段，位错行为的基本机制都是相同的。

参考文献：

Luis A. Zepeda-Ruiz et al. Atomistic insights into metal hardening. Nature Materials 2020.

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00815-1