引入界面來阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是材料強(qiáng)化常用手段。以往研究大多關(guān)注材料強(qiáng)度與其特征結(jié)構(gòu)尺寸，亦即界面的“量”之間的關(guān)系。但對(duì)于界面結(jié)構(gòu)、界面特性等“質(zhì)”的參量，由于難以定量表征和精確調(diào)控，人們對(duì)其在材料強(qiáng)化中的作用仍缺乏深入研究。調(diào)幅分解可在較大晶粒內(nèi)形成雙連續(xù)納米雙相結(jié)構(gòu)：兩相晶體結(jié)構(gòu)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(qiáng)化研究的模型材料。但此類研究受制于調(diào)幅分解的有限合金體系和較窄成分調(diào)制幅度。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心金海軍團(tuán)隊(duì)將脫合金腐蝕和電沉積相結(jié)合，在不發(fā)生調(diào)幅分解的合金體系中構(gòu)筑出雙連續(xù)雙相納米結(jié)構(gòu)，形成一種仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)合金（Spinodoid alloys：參見PNAS 120 (2023) e2214773120）。除了純金屬兩相界面的成分突變，新材料幾乎復(fù)刻了調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)的所有結(jié)構(gòu)和界面特性，及至其高強(qiáng)度和變形行為。更重要的是，其錯(cuò)配度和界面結(jié)構(gòu)可大幅度調(diào)節(jié)，為定量研究界面的“質(zhì)”在強(qiáng)化中的作用提供了機(jī)會(huì)。近期，該團(tuán)隊(duì)分別對(duì)完全互溶和不完全互溶典型合金開展研究，在界面調(diào)控及其強(qiáng)化作用上取得進(jìn)展。
研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于固態(tài)完全互溶的Cu/Au和Ag/Au合金，其仿調(diào)幅分解納米雙相結(jié)構(gòu)在高溫下可轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗喙倘荏w。但該反應(yīng)并非簡(jiǎn)單的調(diào)幅分解逆過程，而是界面互擴(kuò)散反應(yīng)與不連續(xù)的形核長(zhǎng)大過程的競(jìng)爭(zhēng)。此外，兩者在退火初期均出現(xiàn)強(qiáng)度先升后降的暫態(tài)強(qiáng)化“異常”現(xiàn)象。分析表明，這和界面擴(kuò)散層內(nèi)的固溶強(qiáng)化有關(guān)；且不同于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，該擴(kuò)散層并非作為相而是作為界面參與強(qiáng)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。關(guān)懷為第一作者。
對(duì)于兩相在固態(tài)部分互溶的仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Ag合金，在兩個(gè)溫度間進(jìn)行循環(huán)熱處理可改變?nèi)芙舛龋瑢?shí)現(xiàn)界面錯(cuò)配度的可逆變化。研究發(fā)現(xiàn)，該材料硬度強(qiáng)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(qiáng)化與界面強(qiáng)化之間的競(jìng)爭(zhēng)，也揭示了兩個(gè)機(jī)制所主導(dǎo)的不同結(jié)構(gòu)尺度區(qū)間。研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于如此簡(jiǎn)單的界面，現(xiàn)有模型仍不足以定量解釋其對(duì)位錯(cuò)滑移的阻力，體現(xiàn)了界面強(qiáng)化自身的復(fù)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Acta 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(kuò)散而發(fā)生溶質(zhì)再分布甚至兩相互溶，但其雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)未見明顯粗化。這是上述研究得以開展的前提條件。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一方面得益于類似于受限晶體的雙曲界面形態(tài)，另一方面源自兩相間的低能半共格界面。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)后可在晶界附近觀察到局部粗化，而Cu/Au合金兩相反應(yīng)的形核長(zhǎng)大也始于晶界而非相界。這說明相較于（半）共格相界，晶界及界面間截交線等高能缺陷更易于誘發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。與傳統(tǒng)（半）共格多層納米復(fù)合材料相比，仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)含有更少的晶界、非共格相界等缺陷，因而更為穩(wěn)定，并在界面調(diào)控及相關(guān)性能優(yōu)化和功能化探索等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大潛力。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。
圖1仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金在退火條件下的界面結(jié)構(gòu)演化和強(qiáng)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(jié)構(gòu)示意圖。（d）退火初期新相形核生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Ag合金的微觀組織及硬度的往復(fù)調(diào)節(jié)。制備態(tài)Cu/Ag合金的（a）EBSD和（b）STEM圖像；（c）不同結(jié)構(gòu)尺寸Cu/Ag合金硬度隨退火溫度的循環(huán)變化。
圖3 退火調(diào)節(jié)Cu/Ag界面的準(zhǔn)原位觀察。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。
