导读：单相面心立方(SP-FCC)合金通常强度较低。传统的强化策略不可避免地会显著牺牲延展性。本研究通过最大限度地提高体积不匹配度，设计了一种单相Ni基FCC合金，其屈服强度为~ 1.05GPa，延展性为37%。Ni₈₀Mo₂₀合金的失配比现有的所有FCC合金都严重，使该合金具有有史以来最高的霍尔-佩奇系数(k_HP= 1034 MPa·μm^1/2)和明显的固溶强化(Δσ_ss = 224 MPa)。对SP-FCC合金的研究得出了两个令人惊讶的新发现。首先，体积失配是KHP的一个很好的相关指标。其次，关于SP-FCC合金中边缘位错对强化的唯一贡献的传统印象可能不再成立;相反，一旦由溶质引起的应力场的非球形性达到临界值，螺杆位错也会发生。总而言之，这项工作为SP-FCC合金在不显著牺牲延性的情况下追求最终强化找到了一条依赖于体积失配最大化策略的新途径。

单相面心立方（SP-FCC）合金通常具有良好的延展性，这使其成为结构应用的理想选择，由其是在零下温度的条件下。它们也是各种多相或复合工程材料（例如镍基高温合金）中不可替代的故障延迟基质。设计高强度SP-FCC合金对于提高这些工程材料的承载能力具有显着的优点。传统工艺中SP合金的强化依赖于引入各种会影响位错起始能力或位错流动性的缺陷。这些缺陷主要包括位错、溶质和晶界。其中，大面积冷加工产生的高密度位错可能导致延性急剧牺牲。相比之下，溶质和晶界是两种关键的介质，它们可以在不严重牺牲延展性的情况下增强SP-FCC材料，甚至在某些情况下有利于延展性。因此，最大化这两种增强贡献是设计高强度SP-FCC合金同时保持其高延展性的理想方法。

溶质诱导固溶强化（Δσ_ss）起源于位错应力场与溶质原子局部应变之间的弹性相互作用，影响位错迁移率。高/中熵合金（H/MEAs）的最新发展促使越来越多的SP-FCC合金的设计高屈服强度（σ_y），通过引入相当大的组成复杂性来最大限度地利用溶质效应。以五元CoCrFeMnNi合金为代表的基准高熵合金表现出优于大多数传统FCC合金的强度延展性整体性能;它的子合金之一，三元CoCrNi基合金表现出更好的机械性能。CoCrNi合金的强度最近被另一种中熵合金NiCoV合金超越，通过进一步提高溶质效应，NiCoV的性能没有被任何其他SP-FCC合金所超越。大量的理论模型表明Δ σ_ss在高/中熵以及传统的SP-FCC合金中与体积失配密切相关，体积失配是一种结构特征，反映了由组成元素周围的不同原子环境引起的平均局部应变。另一方面，晶界诱导强化（Δσ_gb）取决于边界处的应力集中程度，以达到可以激活附近晶粒中位错源的临界水平。从位错成核机理来看，最近的一些研究表明，具有更明显的晶格摩擦的SP-FCC合金往往对晶粒尺寸具有更高的屈服强度敏感性（所谓的霍尔-佩奇系数，k_HP)。这很好地表明了使用体积不配合作为高强度SP-FCC合金的设计标准的可能性。

基于上述场景，湖南大学吴正刚教授团队联合香港城市大学、东北大学、国立台湾大学、田纳西大学等知名高校依靠失配体积最大化策略成功设计出具有优异屈服强度（∼1.05GPa）和良好延展性（∼37%）的SP-FCC合金。由此产生的成分简单的合金具有比所有现有SP-FCC合金更严重的体积不配合，导致有史以来最高的k_HP和体现的 Δσ_ss。从根本上说，我们的工作强调，失配体积可以作为k_HP的相关指标，并证明螺钉位错也可以控制具有极端晶格畸变的SP-FCC合金的强化，这在以前的研究中被忽视了。相关研究成果以题“Achieving superb strength in single-phase FCC alloys via maximizing volume misfit”发表在Materials Today上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702123000329

图1（a）不同镍基二元合金的失配参数δ作为溶质浓度的函数。（b） Ni₈₀Mo₂₀与其他SP-FCC合金的失配参数δ比较。（c）霍尔-佩奇系数和（d）摩擦应力与SP-FCC合金中δ的相关性。

图2Ni₈₀Mo₂₀的代表组织。Ni₈₀Mo₂₀分别在(a) 800℃、(b) 900℃、(C) 1000℃和(d) 1100℃退火1 h的EBSD逆极图(IPF)图。插图显示了相应的XRD图谱。(e) Ni₈₀Mo₂₀在900°C退火1 h后的低倍率HAADF-STEM图像和(f)高分辨率HAADF-STEM图像。右侧图像为SAED图案或相应的STEM-EDS图。SAED模式证实Ni₈₀Mo₂₀是具有FCC结构的SP固溶体。STEM-EDS图谱也证实了Ni和Mo在晶界处没有明显的化学偏析和结构转变。(g)晶粒内部的HAADF-STEM显微照片和g中红色和绿色平方区域的(g1, g2)强度线轮廓。(h) Ni和Mo原子的3D APT重建。(i)元素频率分布分析。经STEM和APT分析，证实无局部化学波动。

图3非凡的强度-延展性组合。(a)不同晶粒尺寸Ni₈₀Mo₂₀的典型工程应力-应变曲线。(b) Ni₈₀Mo₂₀等金属材料的屈服强度与总伸长率的关系，(c)极限抗拉强度与总伸长率的关系(表S2)。(d) Ni₈₀Mo₂₀和CoCrFeMnNi、CoCrFeNi、CoCrNi、NiCoV、Ni_63.2V_36.8、Ni等几种FCC合金屈服强度对晶粒尺寸的依赖关系(见图)。S4、S5和S6为NiCoV和Ni_63.2V_36.8的代表性微观结构、工程应力-应变曲线和霍尔-佩奇关系，如本研究中再现的)。(e) 霍尔-佩奇系数和(f)不同SP-FCC材料的摩擦应力(表S3)。

图4活性位错的实验和理论证明。(a) 900°C-1 h退火Ni₈₀Mo₂₀合金在工程应变分别为0%、4%、7%和8%时的高能x射线衍射图。(b)位错特征参数q随工程应变的演化。q的值由卷积多重整体剖面(CMWP)得到。(c)在工程应变分别为4%、7%和8%时，根据改进的Williamson-Hall， ΔK² vs K²C曲线。(d)塑性应变为5%的900°C-1 h退火Ni₈₀Mo₂₀合金在和附近的双束条件下的TEM图像和(e) 环形亮场(ABF)-STEM图像。红色和蓝色线分别为边缘位错和螺钉位错。(f)对应于(e)的平投影。Ni₈₀Mo₂₀合金中具有边缘位错(g)和螺旋位错(h)的Mo溶质之间的相互作用。数值由meV给出的相互作用能着色。(i) Ni₈₀Mo₂₀合金中Mo以位错核为中心的积分半径与总相互作用能的关系。NiCoV中V溶质与边缘(j)位错和螺旋(k)位错的相互作用。(l) NiCoV中V的总相互作用能随位错核为中心的积分半径的变化。

图5晶粒尺寸为4.8 μm的Ni₈₀Mo₂₀合金在(a,b) 2%、(c,d) 15%、(e,f) 22.5%和(g,h)断裂拉伸应变下的变形组织。SAED图案取自[110]区域轴。

在本工作中，通过最大限度地提高体积不配合度，设计了一种成分简单的单相FCC合金，具有优异的强度(约1.05GPa)和良好的延展性(37%)。目标Ni₈₀Mo₂₀合金的体积失配(δ = 5.68%)比现有的任何FCC合金都高，包括常规合金和高中熵合金。这种前所未有的体积不匹配导致了强度对晶粒尺寸的最高灵敏度(k_HP = 1034 MPa·μm^1/2)，使得这种合金通过晶粒细化而具有极高的强度。严重的体积失配也给合金带来了高固溶体强化，尽管目前基于δ的强化理论无法再现实验值，这是由于各种理论和实验技术所证明的螺杆位错在控制强化方面的积极作用。总的来说，目前的发现为设计更先进的性能优异的FCC合金铺平了一条新的途径，通过体积不匹配最大化策略最大化并很好地平衡溶质和晶界的贡献。