香港城市大学 HAADF-STEM图像揭示了在晶粒边界处的超薄无序层，厚度约为5纳米
学分:理科DOI: 10
1126/科学
abb6830 金属间合金在高温环境下可能具有高强度
但是它们通常在环境温度和低温下延展性差，因此限制了它们在航空航天和其他工程领域的应用
然而，一个由香港城市大学科学家领导的研究小组最近在有序金属间合金的晶界上发现了无序的纳米级层
纳米层不仅能有效解决强度和延展性之间不可调和的矛盾，还能保持合金的强度和高温下优异的热稳定性
设计类似的纳米层可以为设计具有最佳合金性能的新型结构材料开辟一条途径
这项研究由香港城市大学特聘教授及香港专上学院高级研究员刘金泉教授领导
这项发现刚刚发表在著名的科学杂志《科学》上，标题是“具有纳米级无序界面的超高强度和韧性超晶格合金”
" 就像金属一样，金属间合金的内部结构是由被称为“晶粒”的单个晶体区域组成的
金属间合金通常的脆性通常归因于拉伸变形过程中沿晶界的开裂
向金属间合金中添加硼元素是克服脆性的传统方法之一
刘教授实际上是30年前研究这种方法的人之一
当时，他发现向二元金属间合金(由两种元素组成，如Ni3Al)中添加硼会增强晶界内聚力，从而提高其整体延展性
令人惊讶的实验结果 近年来，刘教授在发展大块金属间合金(金属间合金又称为超晶格合金，由长程原子密集有序结构构成)方面取得了很大进展
这些具有良好强度的材料对于高温结构应用非常有吸引力，但是通常在环境温度下会遭受严重的脆性，以及快速的晶粒粗化(即
e
晶粒尺寸的增长)和高温下的软化
因此，这一次，刘教授和他的团队在多元金属间合金中开发了新颖的“界面纳米级无序化”策略，该策略能够在室温下实现高强度、大延展性以及在高温下的优异热稳定性
(一)利用三维适配技术重建的原子图显示了每个元素的分布
铁(铁)、钴(钴)和硼(硼)在纳米层富集(颜色较深)，而镍(镍)、铝(铝)和钛(钛)相应地被耗尽(颜色较浅)
(二)和(三)也显示出同样的结果
学分:理科DOI: 10
1126/科学
abb6830 “我们最初试图做的是通过优化硼的量来增强晶界内聚力，”博士说
杨涛，城市大学机械工程系博士后研究员，也是该论文的第一作者之一
“我们预计，随着硼含量的增加，合金将因其多元素成分而保持超高强度
" 根据传统观点，添加微量(0
1到0
5原子百分比(at
%))的硼通过增加晶界内聚力而显著改善其拉伸延展性
当加入过量的硼时，这种传统方法就不起作用了
“但是当我们在现有的多组分金属间合金中加入过量的硼时，我们得到了完全不同的结果
有一段时间，我想知道实验过程中是否出了什么问题
杨回忆道
令研究小组惊讶的是，当硼含量增加到1
5至2
5 at
%，这些掺硼合金变得非常坚固，但延展性很好
实验结果表明，具有2 at
%硼具有1的超高屈服强度
6吉帕斯卡，室温下拉伸延展性为25%
通过研究不同的透射电子显微镜，研究小组发现当硼的浓度在1
5至2
5 at
%，在相邻有序晶粒之间形成了独特的纳米层
每个颗粒都被包裹在这个约5纳米厚的超薄纳米层中
纳米层本身具有无序的原子结构
“这种特殊现象以前从未被发现和报道过，”刘教授说
他们的拉伸试验表明，纳米层作为相邻晶粒之间的缓冲区，能够在晶界处进行塑性变形，从而在超高屈服强度水平下产生大的拉伸延展性
这些照片表明，该合金(NDI-钐)已经实现了在环境温度下优越的强度-延展性的协同作用和在高温下非凡的耐热性
学分:理科DOI: 10
1126/科学
abb6830 为什么会形成无序的纳米层？ 研究小组发现，硼的进一步增加大大增强了“多元素共偏析”——多元素沿晶界的分配
城市大学的先进三维原子探针断层扫描(3-D APT)是香港和中国南方唯一的同类设备，他们在纳米层中观察到高浓度的硼、铁和钴原子
相比之下，那里的镍、铝和钛大部分被消耗掉了
结果，这种独特的元素分配导致了纳米层内的纳米级无序，这有效地抑制了沿晶界的断裂并提高了延展性
此外，当评估合金的热响应时，研究小组发现，即使在1050℃的高温下退火120小时后，晶粒尺寸的增加也可以忽略不计
这再次让研究小组感到惊讶，因为大多数结构材料通常在高温下表现出晶粒尺寸的快速增长，导致强度快速下降
开发高温结构材料的新途径 他们认为纳米层对于抑制晶粒尺寸的增长和保持其高温强度至关重要
无序纳米层的热稳定性将使这种合金适用于高温结构应用
“在合金中发现这种无序的纳米层将对未来高强度材料的发展产生影响
特别是，这种方法可以应用于高温环境下的结构材料，如航空航天、汽车、核电和化学工程，”刘教授说
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
