简讯

3 D打印高性能纳米片层共晶高熵合金

材料强度和塑性的相互制衡是材料科学中的普遍难题。高熵合金的出现为合金设计和材料开发提供了一种新的范式，尤其是共晶高熵合金，因为具有双相片层状异构组织，展示出比传统合金更优异的力学性能。传统铸造法制备的共晶片层组织在微米或亚微米尺度严重限制了材料的强度。相反，纳米片层组织具有高强度但塑性较低。选区激光熔化技术（L-PBF）制备的纳米合金强度高但拉伸塑性低。

因此，美国麻省大学陈文团队利用L-PBF 技术制备出高性能的双相纳米片层AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。该材料展示出优异的强塑性匹配能力（屈服强度>1.3 GPa，且均匀延伸率大于14%），优异的强塑性匹配能力明显优于目前公开报道的3D 打印技术制备的其他合金。同时，利用原位中子衍射揭示了应力在不同晶面及FCC 和BCC 相中的实时分配情况及两相位错密度的演变。佐治亚理工学院朱廷团队开发了双相材料晶体塑性有限元模型，首次揭示了BCC 纳米片层罕见的显著加工硬化行为。相关成果以Strong yet ductile nanolamellar highentropy alloys by additive manufacturing为题发表在Nature上。

多尺度非平衡态纳米片层组织实现强度塑性协同效应。L-PBF 打印过程中的极高温度梯度和冷却速率使AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金形成了多尺度非平衡态组织：具有随机织构的微米尺度共晶团中分布着BCC+FCC 纳米片层结构（平均片层间距约215 nm），BCC 片层中的调幅分解进一步导致纳米尺度化学异构。共晶团的随机晶体学取向和生长方向有助于实现材料的各向同性力学特性。

在这项研究中所采用的原位中子衍射、双相晶体塑性有限元模拟及透射电镜等手段均证明BCC纳米片层比FCC 纳米片层具有更高的位错密度增殖速率及加工硬化速率。

该研究揭示了利用激光3D 打印特有的热物理场特性及高熵合金的多主原特性设计高性能双相/多相异质纳米结构的思路。纳米片层组织特有的强韧化机理可有效指导高性能铝合金及钛合金多相片层结构设计。

（本刊记者 雪松）

哈工程张景怀团队揭示高塑性异质结构镁合金的变形机理

镁合金是最轻的金属结构材料，比强度高，在航空航天、军工硬件、汽车等领域有广阔的应用前景。但镁合金在室温下成形性差，是限制其应用的关键问题。成形性与大的加工硬化能力和高的拉伸伸长率密切相关。

为此，哈尔滨工程大学张景怀团队开发了一种具有异质晶粒的 Mg-3Al-1Zn-0.4Mn （质量分数） 合金，极限抗拉强度（UTS）和屈服强度 （YS）的差值很大（UTS-YS： 164 MPa），并且具有良好的伸长率（22%）。

研究发现，大小晶粒的不均匀变形主要受晶粒间尺寸差异的影响，而非织构的影响。高应变硬化的原因是不均匀的微应变在大晶粒和小晶粒之间的晶界处堆积了几何必要的位错。随着拉伸应变的增加，非基底位错的比例大大增加，有助于提高延展性。因此，提出了一种通过引入异质晶粒结构来提高镁合金可成形潜力的新策略。

相关研究成果以

Unveiling the deformation mechanism of highly deformable magnesium alloy with heterogeneous grains为题发表在Scripta Materialia上。

制备出的H-AZ31 Mg 合金具有高加工硬化能力和高延伸率，比其他AZ31 合金成形性具有更大的潜力。将类似的异质结构引入高强度镁合金有望开发出更理想的具有良好成形性的高性能镁合金。

（本刊记者 雪松）

重要突破：一种新的Hall-Petch关系

近70年来，σ0和ky在Hall-Patch 关系（H-P关系）中的计算和物理意义一直利用晶体结构和位错运动等物理理论修正和解释。考虑位错源与晶界之间距离、不同滑移体系的影响来修正H-P 关系，诞生了许多经典的理论，如Ashby 几何必须位错理论、Conrad 滑移距离模型、Petch 和Meakin 位错叠加理论、Conrad 滑移距离模型。但H-P 关系仍有两个不足之处：首先，当晶粒较粗(毫米级以上)或较细(纳米级)时，线性关系存在明显偏差；其次，影响σ0和ky的内在因素，以及物理机制有待进一步明确。

机器学习可基于一系列数据直接进行回归建模，揭示材料内部复杂的物理关系。北京科技大学的研究人员运用数据挖掘的策略，探究了H-P 关系的物理本质，揭示了影响多晶金属屈服强度的关键物理量及其机制。建立屈服强度、关键物理量和晶粒尺寸之间的新的Hall-Petch 模型，以计算代替试验拟合的方法直接预测多晶金属的屈服强度，同时实现金属成分之间跨尺度相关计算的新方法。相关研究成果以Physical mechanism interpretation of polycrystalline metals’yield strength via a datadriven method: A novel Hall–Petch relationship为题发表在Acta Materialia上。

本研究揭示了影响多晶金属屈服强度的机理，为金属材料成分、晶粒结构和力学性能之间的跨尺度建模和计算提供了理论方法。

（本刊记者 雪松）

难加工材料超高速加工领域取得新进展

近日，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授张璧团队在难加工材料超高速加工领域取得研究进展，相关论文以Surface integrity and material removal mechanisms in highspeed grinding of Al/SiCp metal matrix composites

为题发表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上。研究团队采用了最高线速度达到307 m/s 的超高速磨削方式解决铝基碳化硅复合材料在常规加工过程中发热严重和表面完整性差的问题，结合多尺度表征手段揭示了铝基碳化硅中两组分在高磨削速度下的材料去除机理和亚表面损伤演化规律，提出了利用超高速磨削降低铝基碳化硅中两组分性能差异的方式来提高工件表面完整性，以期实现复合材料的均质化去除。

铝基碳化硅复合材料的两组分（铝合金基体和碳化硅颗粒增强相）之间的硬度和塑性等性能差异巨大，在常规加工中伴随着塑性去除和脆性断裂两种材料去除方式，因此往往发热严重而且表面缺陷和亚表面损伤非常严重。超高速磨削涉及温度效应、尺寸效应以及应变率效应的相互作用。这些影响因素在磨削过程中无法直接测量，但是可以通过工件材料的微观组织变化来反映。

研究发现，超高速磨削会降低工件亚表面塑性流动层深度和铝合金晶粒细化程度，抑制铝基碳化硅中铝合金基体的塑性变形，导致塑性组分塑性降低，这说明应变率效应在铝合金基体的变形过程中起到了主导作用；磨削亚表面脆性碳化硅颗粒增强相中的位错密度提高，表明塑性增强，这说明尺寸效应在碳化硅颗粒增强相的去除过程中起主要作用。因此，超高速磨削有助于降低塑性铝合金基体的塑性，同时提高脆性碳化硅颗粒增强相，有利于降低两组分之间的性能差异，以实现复合材料的均质化去除。

（本刊记者 雪松）

科学家揭秘亚晶格尺度下晶体-非晶杂化结构

通过创造杂化结构集合晶态与非晶态的各自优势一直是材料科学家追求的理想目标。北京高压科学研究中心（HPSTAR）研究员吕旭杰团队，采用压力调控，首次在单一材料亚晶格尺度上观察到晶体-非晶杂化态，该材料兼具低热导率和金属导电率，实现了两种相互竞争的物理性能的协同改善。相关研究以Nested order-disorderframework containing a crystalline matrix with self-filled amorphous-like innards为题发表在Nature Communications上。

根据原子排列是否存在长程周期性，固体一般可分为晶态和非晶态。原子之间不同的排列方式及其相互作用使晶态、非晶态材料展现出不同的物理和化学性质。晶态和非晶态材料各具优势，如何获得晶体-非晶杂化材料以集成这两种状态的结构和性质特点是理解其内在相互作用机制的关键，也是新材料设计开发的重要方向。

晶体和非晶结构在宏观、介观尺度上的复合研究已经取得了很大进展，而更微观尺度的杂化结构将具有更本征的特性。吕旭杰团队提出了一种调节晶体的化学键层级的策略，选择了具有强化学键层级结构的化合物Cu12Sb4S13，利用压力调节键合层次，得到了由自填充的无定形Cu 基亚晶格“内脏”和坚固的晶体框架组成的有序-无序嵌套结构。

通过晶体结构和化学键合分析，发现Sb 阳离子的孤对电子起到了重要作用。孤对电子的强静电斥力将部分铜原子从平衡位置推离，从而产生无序的亚晶格，而其余的晶体框架保持不变。

左上图为亚晶格尺度下有序-无序嵌套结构的形成。

（本刊记者 雪松）

研究发现纳米压入可在金属中制造出超长一维塑性区

纳米压入或原子力显微镜(AFM)是探测纳米尺度下材料力学性能和参数的有力手段。传统的纳米压入塑性理论认为，纳米压入会在压痕下方产生高密度的几何必须位错，这些位错分布在一个半球形的塑性影响区内。然而，当压头尺寸减小到几十nm 或更小时，纳米压入的压入曲线上会出现不连续的位移或载荷突跳（popin），这种情况下压痕下方可能出现不同于经典纳米压入塑性理论所描述的塑性影响区构型。因为缺乏原位直观的技术手段，纳米压入下塑性区的形成机制和几何构型仍然是个谜。

针对上述问题，西安交通大学单智伟教授团队利用聚焦离子束制备了一系列尺寸不同的压头，采用原位透射电镜纳米压入技术，以单晶铝基体为模型材料，原位观测了popin 发生时压头下方位错的形核类型以及所形成的位错塑性影响区构型。结果表明，位错塑性区的形状与压头尺寸紧密相关，若假定压头顶部为半球状，当其直径大于～100 nm时，pop-in 发生后会在压痕下方形成半球状分布的“三维”塑性区，内部有高密度的常规位错，与传统认知完全相符。然而，减小压头直径到约15 nm，则塑性区将完全呈现为一维形状，全部由规律分布的棱柱位错环组成，避免了位错之间的交割和缠结，形成“一维”塑性区。随着接触面积的增大，塑性影响区也将从“一维”逐渐向“三维半球状”转变。

上述研究成果为纳米压入数据分析、薄膜表层改性等应用场景提供了试验和理论上的参考。相关研究成果以Ultralong one-dimensional plastic zone created in aluminum underneath a nanoscale indent为题发表在Acta Materialia上。

（本刊记者 雪松）

马氏体钢中氢捕获行为研究新进展

近日，南京理工大学陈光院士团队和北京科技大学乔利杰教授团队合作，通过结合原位扫描开尔文探针力显微镜和球差校正透射电子显微镜，研究了高强度低合金马氏体钢中氢与纳米析出相交互作用的机制，发现并不是所有的非共格界面都能捕获氢，有些甚至可能排斥氢；析出相表面的碳/硫空位和附近基体的弹性拉应变场可能是影响界面捕获氢行为的关键因素。相关研究成果以Atomicscale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels为题发表在Nature Communications上。

氢会对金属材料的力学性能造成不利影响，包括氢脆（HE）。氢脆敏感性随材料强度的增加而增加，这是高强度合金开发和实际应用的一个主要问题。缓解HE 的最具吸引力的方法之一是使用纳米沉淀物捕获材料中的可扩散氢原子。普遍认为，纳米析出相可以通过空位、特定界面结构和失配位错捕获氢。然而，对于非共格纳米析出相是否能捕获氢仍存在争议。热脱附光谱（TDS）结果表明，室温充氢时，钢中的非共格纳米析出相TiC、NbC 和VC不能捕获氢。相反，原子探针层析（APT）结果发现氘在NbC 和马氏体基体的非共格界面处偏聚。从根本上说，非共格纳米析出相与基体的界面结构会随着二者的相对取向而变化，进而可能导致不同的氢捕获行为。

本研究展示了一种可行的方法来直接探测氢捕获行为和微观机理，为氢-材料交互作用提供了新的研究思路。

（本刊记者 雪松）

3D 打印分级多孔高性能陶瓷

近日，由美国空军研究实验室联合麻省大学和哈佛大学等研究团队提出一种自组装结合 3D 打印技术来创建具有从微米级到纳米级的多级多孔陶瓷结构。其中，微米尺度孔隙率是通过墨水直写技术创造具有3D 晶格结构的圆柱形支柱而成。纳米尺寸孔隙率是在每个支柱内部通过嵌段共聚物模板，随后在无氧环境下进行光聚合和热分解，从陶瓷前驱体聚合物和聚碳硅烷转变成具有“纳米珊瑚状”形貌的SiOC 陶瓷。

所制备的分级多孔陶瓷3D 晶格结构具有可与金属泡沫材料相媲美的优异能量吸收能力（0.31 MJ/m3）。并具有比块体陶瓷前驱体聚合物转化陶瓷低一个数量级的热导率（0.087～0.16 W/（m·K））。

另外，在热分解之前，可对打印的晶格结构进行设计以形成更复杂的形状。通过结合自组装和定向组装，本文为制备分级多孔陶瓷开辟了新的途径。相关成果以Hierarchically porous ceramics via direct writing of preceramic polymertriblock copolymer inks为题发表在Materials Today上。

上图为对分级多孔陶瓷进行弯曲、扭转和折叠的过程。

（本刊记者 雪松）