编者按：超常环境非线性力学全国重点实验室的袁福平研究团队以“Strain-rate and temperature dependent optimum precipitation sizes for strengthening in medium-entropy alloys”为题，在《International Journal of Plasticity》期刊上发表了考虑应变率和温度效应的一个析出强化新理论模型。本刊特此邀请该论文的第一作者袁紫怡撰写了科普文字介绍这项成果，以飨读者。

纳米析出相：让金属材料在极端条件下“刚柔并济”的奥秘

袁紫怡

在人类文明进程中，金属材料始终扮演着重要角色。从青铜时代的刀剑到现代飞机的钛合金发动机叶片，科学家们不断追求着材料的两个核心性能：既要坚如磐石，又要韧如发丝。这种看似矛盾的需求，在材料科学中被称为"强度-韧性倒置关系"——材料越坚硬往往越容易脆断，而韧性好的材料又常常不够结实。力学上，“强度”是指材料在外力作用下抵抗破坏（变形或断裂）的能力，它是机械零部件首先应满足的基本要求。而“韧性”则是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，发生脆性断裂的可能性越小。

图0 钛合金叶片（图片来源：网络）

为了突破这一困境，研究人员做出了很多努力，通过操控金属内部的微观结构，其中包括晶粒细化、添加合金元素、增加纳米尺度硬质结构等，为“鱼与熊掌兼得”提供了可能。其中共格纳米析出是金属材料强韧化的主要手段之一，因为研究人员发现，在金属内部引入纳米尺度的析出相，既能提高材料变形阻力（提高强度），又能通过协调变形来避免应力集中（保持韧性）。

理解这个方法，我们需要走进金属材料的微观世界。所有金属都由原子规则排列的晶体构成，但完美的晶体只存在于理论中。现实中的金属充满各种缺陷，其中最重要的就是位错（dislocation）。在材料科学中，“位错”是指晶体材料的一种内部微观缺陷，具体而言，它是原子的局部不规则排列。当金属受力时，这些位错线就像蚯蚓一样在晶体中移动，它们的集体运动导致了宏观上的塑性变形，所谓的“塑性变形”是一种不可自行恢复的永久性变形。在金属内部引入纳米析出相（尺寸在1-100纳米的第二相粒子）的作用，就像在高速公路上设置路障。当位错遇到这些“路障”时，有两种应对策略（参见图1）：（1）切过机制：对于小尺寸析出相，位错线沿滑移面（Slip plane）运动时，会像热刀切黄油般地直接切开纳米粒子；（2）绕过机制：当析出相足够大时，位错线则会选择绕道而行，形成了位错环（Dislocation loops）的结构。传统理论认为存在一个“黄金尺寸”：当析出相太小或太大，强化能力都会下降，中间的某个尺寸可以使材料既强又韧。然而，经典的析出强化模型只能够计算室温和准静态条件下最强析出相尺寸，由于没有考虑应变率和温度效应，无法指导宽温度和宽应变率范围内的材料微结构设计，这限制了纳米析出合金设计策略在极端条件下的应用。

图1（a）位错切过析出相；（b）位错绕过析出相。（图片来源：作者自制）

现代工业对材料的要求早已突破常规：穿甲弹在命中装甲目标时，要像钢针穿豆腐一样以大约1000米/秒速度侵彻装甲目标；在零下50 ℃的南极冰盖，科考装备的金属关节必须像北极熊的毛发般柔韧抗冻；而潜入马里亚纳海沟的探测器外壳，则要同时抵御1100个大气压的深海重压和盐卤环境的侵蚀……这些极端工况如同给材料设定了多重考试，任何一项不合格都将导致灾难性后果。而材料的性能表现恰似顶级运动员的竞技状态，会因环境参数的细微变化产生多重反应：当应变速率从实验室的缓慢拉伸（10-5 /秒）跃升至子弹冲击的瞬间（104 /秒），相当于要求材料在极短时间内完成从太极拳到百米冲刺的运动模式切换；而工作温度在液氮的-196 ℃与航空发动机的1000 ℃之间跨越时，金属内部的原子如同经历了从冰河世纪到火山喷发的极端气候变迁。不言而喻，理解材料在不同环境中的行为规律，是设计这些尖端装备的基础。

针对这样一个挑战，力学研究所袁福平团队提出了一种考虑应变率和温度效应的析出强化新理论模型，拓展了长期以来对于纳米析出强化的传统理解，为研发极端环境下的高力学性能金属材料提供了新思路。我们的研究基于位错与障碍物交互作用的热激活理论，提出了一种考虑应变率和温度效应的析出强化新理论模型，利用该模型能够计算出不同应变率和不同温度条件下的最佳析出相尺寸，并且推导发现最佳析出相尺寸（The critical precipitation size）与应变率（Strain rate）和温度（Temperature）相关，应变率越高或者环境温度越低，最佳析出相尺寸越大（参见图2c）。图2a-b则给出不同应变速率和温度下的等效应力（Equivalent stress）预测曲线。

图2 (a)不同温度下的等效应力预测曲线；(b)不同应变速率下的等效应力预测曲线；(c) 最佳析出相尺寸与温度和应变速率的函数关系。（图片来源：文献[1]）

为了验证这个新模型，我们研究团队选择(FeCoNi)86Al7Ti7中熵合金为研究对象，先在1150 ℃下进行2分钟退火，再在1003 ℃和1053 ℃下进行1-4小时不等的时效处理，这个过程就像控制烤箱的温度和时间来烘焙曲奇一样。通过精巧的热处理工艺，制备得到五组体积分数接近（约60%）、纳米析出相尺寸从8.6纳米到43.6纳米的样品。图3是它们的透射电子显微镜暗场图像，展示了不同样品的析出相尺寸变化，也表明了随着时效时间延长，析出物尺寸逐渐增大，但形貌仍保持为球形。图4a表明析出相结构富含镍、铝和钛元素，但贫含铁和钴元素；图4b为高分辨透射电子显微镜图像，展示了纳米析出相与面心立方基体之间的共格界面，表明析出相结构为共格的纳米析出相；图4c则给出纳米析出相和面心立方（FCC）基体中的元素分布情况。

图3 不同样品纳米析出相的透射电子显微镜暗场图像（图片来源：文献[1]）

图4 (a)共格纳米析出相的元素种类以及含量；(b)高分辨透射电子显微镜图像；(c)纳米析出相和面心立方（FCC）基体中的元素分布情况。（图片来源：文献[1]）

为了全面揭示材料特性，我们设计了三组实验：（1）室温准静态（quasi-static）实验：以/秒的应变速率测试，模拟室温下缓慢加载过程；（2）室温动态（dynamic）实验：使用霍普金森压杆装置，以 的应变速率测试，模拟室温下动态加载过程；（3）低温准静态实验：将样品浸入液氮（77 K，-196 ℃），以/秒的应变速率测试，模拟低温下缓慢加载过程。实验数据显示出惊人的规律：所有条件下，合金的等效屈服强度（Equivalent yield stress）都随析出物尺寸（Precipitation size）呈现先增后减的“山峰曲线”（参见图5）。更精妙的是，这个“最强尺寸”会随环境变化而移动，这就像为不同运动定制装备——短跑需要轻便的钉鞋，登山则需要防滑的厚底靴。值得注意的是，在相同的最佳析出相尺寸下，既能实现最高的动态屈服强度（Dynamic yield strength），也能实现最高的动态剪切韧性（Dynamic shear toughness）。我们使用新开发的理论模型预测298 K的动态结果和77 K的准静态结果，发现预测的最佳析出尺寸与实验结果高度一致。同时利用文献中的其它材料不同温度下的实验数据验证了该理论模型的普适性。

图5 等效屈服强度与析出相尺寸的关系（图片来源：文献[1]）

与其他先进金属与合金相比，本文所研究的具有不同尺寸纳米析出相的多主元合金在动态剪切韧性方面具有更好的协同效应（参见图6）。在图6中，右侧所示的5种金属（标记为1003-1，1003-2，1003-3和1053-2，1053-4）为本研究所开发的合金。

图6 不同金属的动态剪切韧性与动态屈服强度的比较（图片来源：文献[1]）

为了揭示现象背后的本质，我们研究团队选择具有最小和最大析出相尺寸的样品，通过透射电子显微镜明场像和高分辨透射电子显微镜观察其在动态变形过程中的微观结构，结果分别如图7至图8所示。其中，图7至图8的(a)和(c)都是明场像，而图8b是高分辨透射电子显微镜图像。

图7 最小析出相尺寸样品动态变形后的微观结构（图片来源：文献[1]）

图8 最大析出相尺寸样品动态变形后的微观结构（图片来源：文献[1]）

从图7可以看出，最小析出相尺寸的样品在材料内部形成了清晰的平面滑移带，并且在这个样品中可以清楚地看到几个纳米尺寸的析出相被平面缺陷所剪切。在最佳析出相尺寸以下，主要的析出强化机制是切割/剪切机制。在这个析出相尺寸下的切过机制是弱对耦合的剪切机制。从图8则可以看出，最大析出相尺寸的样品中平面缺陷被较大尺寸（几十纳米）的析出相阻挡。可以发现，第二条位错刚碰到析出相时，仍保持相对较直的状态。然而，能够清楚地观察到，第一条位错被这些较大尺寸的析出相阻挡并钉扎，这表明存在位错弓出机制（参见图7）。因此，在最佳析出相尺寸以上，主要的析出强化机制确实是位错绕过机制。根据图7至图8可知，在动态条件下，随着析出相尺寸的增加，主要的析出强化机制从切过机制转变为位错绕过机制，并且在室温动态变形条件下，具有最强析出强化效果的最佳析出相尺寸约为22纳米。中南大学的研究进一步扩展了这一认知，他们发现通过设计局部化学有序结构，低温下位错甚至可以切过传统认为不可剪切的硬脆B2析出相，创造出强度高达1586兆帕同时保持34%延伸率的材料。

极端环境下的材料性能研发的核心目标在于通过材料的强度、耐高温、抗腐蚀、抗辐照等性能优化，突破现有技术边界，为人类探索深空、深海等极端领域提供物质支撑，同时推动产业升级与可持续发展的协同进步。未来，随着极端环境服役需求的复杂化（如高温-高压-辐照多场耦合），材料研发将更依赖跨学科融合与数据驱动的精准设计，成为新一轮科技革命的核心战场之一。

参考文献

[1]Z. Yuan et.al, Strain-rate and temperature dependent optimum precipitation sizes for strengthening in medium-entropy alloys, Int. J. Plast. 187 (2025) 104268.

论文链接为：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104268