一、研究背景与科学问题
1. 低温材料的核心挑战
金属材料在低温（如液氮温度 87K）下常出现力学性能退化：传统强化方法（如沉淀强化）虽可提升强度，但易导致延展性显著下降。因析出相与基体界面易形成位错塞积和高应力集中，成为裂纹萌生源，难以满足超导、航天、液化天然气存储等领域对“高强度+高损伤容限”的需求。
2. 现有强化机制的局限
- 沉淀强化：纳米级相干析出相（如 L1₂相）可阻碍位错运动，但长期时效后尺寸增大（＞5nm），晶格失配度升高，界面能增加，低温脆化风险加剧；
- 单一短程有序（SRO）强化：亚纳米级 SRO 可抑制位错滑移，提升强度，但应变硬化能力不足，均匀延展性差；
- 单一长程有序（LRO）强化：纳米级 LRO 能增强应变硬化，但单独存在时易引发应力集中，强韧性难以兼顾。
二、研究创新设计
1. 核心设计思路
通过热力学调控的固溶+时效工艺，在 CoNiV 基合金（Co₃₂Ni₃₂V₃₂Al₂Ti₂，at%）中构建“亚纳米 SRO + 纳米 NLRO”共存的双尺度有序结构，协同发挥两种有序相优势：
- SRO：亚纳米级（0.6±0.2nm），密度约 2.4×10²⁶ m⁻³，L1₁型结构，由 V-Co/Ni 原子相互作用驱动，主要提升位错剪切应力；
- NLRO：纳米级（1.6±0.7nm），密度约 4.5×10²⁵ m⁻³，L1₂型结构（Ni₃(Ti,Al)前驱体），由 Al/Ti 与主元素负混合焓驱动，促进位错增殖并阻碍其运动。
2. 关键工艺控制
- 固溶处理：1100℃短时（2–2.5分钟）加热后水淬，抑制提前析出，确保基体均匀性；
- 时效处理：750℃时效 1 小时，仅诱导 SRO 和 NLRO 形成，避免生成大尺寸 L1₂析出相（＞25nm），最终实现两相与基体间超低晶格失配度（0.04%），显著降低界面应力集中。
三、实验方法：多维度表征与性能测试
为验证双尺度结构及其力学效应，采用“微观结构表征 + 力学性能测试 + 热力学计算”相结合的研究路径。
| 研究维度 | 核心技术 | 目的 |
|---|---|---|
| 微观结构表征 | EBSD | 分析基体晶粒尺寸（11.2±1.3μm，再结晶态） |
| DF-TEM / HAADF-STEM（原子分辨） | 观察 SRO/NLRO 的尺寸、分布及晶体结构 | |
| APT + ML-APT | 定量分析元素富集（如 NLRO 中 Ti 含量达 6.2at%） | |
| 中子衍射 + Rietveld 精修 | 测定 L1₂相体积分数（13.7vol%）、晶格参数及失配度 | |
| 力学性能测试 | 低温拉伸（87K，应变速率 1×10⁻³ s⁻¹） | 测试屈服强度、抗拉强度、伸长率及强塑积 |
| 断裂韧性测试（ASTM E1820） | 评估低温损伤容限（87K 下 KIC = 338.4 MPa·m⁰·⁵） | |
| 热力学计算 | Thermo-Calc（TCHEA4 数据库） | 预测相平衡与混合焓，指导工艺设计 |
同时设计四组对比样品（无有序、仅 SRO、固溶态、24h 时效大尺寸析出），明确双尺度有序的独立贡献。
四、核心结果：低温力学性能突破
1. 力学性能指标（87K 下）
CoNiV-AlTi 合金在双尺度有序调控下实现性能跃升：
- 屈服强度（σYS）：~1.2 GPa；
- 抗拉强度（σUTS）：~1.8 GPa；
- 断裂伸长率（εf）：~42.6%；
- 强塑积（σUTS×εf）：达 76 GPa%，较传统低温材料提升约 60%；断裂韧性（338.4 MPa·m⁰·⁵）优于 Al 基、Ti 基、Fe 基及中/高熵合金。
2. 对比样品验证双尺度优势
- 无有序样品：屈服强度仅 ~0.8 GPa，强塑积低；
- 仅 SRO 样品：强度提升有限，延展性未改善；
- 大尺寸 L1₂析出样品：晶格失配达 0.15%，伸长率降至 22%，明显脆化；
- 双尺度有序样品：NLRO 额外提升屈服强度 167 MPa，应变硬化率提高 ~1000 MPa，实现强度与延展性同步提升。
五、强化机制：双尺度有序如何提升强韧性？
通过原位 TEM 观察位错演化，揭示双尺度有序在低温下的协同强化机制，分为三个阶段：
1. 小应变阶段（ε=6%）：NLRO 阻碍位错，SRO 增加剪切阻力
- 位错以堆垛层错（SF）形式沿 {111} 面滑移（低温低层错能，呈平面滑移）；
- NLRO 与 SF 相互作用，在末端形成高弹性应变集中，阻碍部分位错运动；
- SRO 通过形成弥散反相界增加位错剪切应力，提升初始强度。
2. 中应变阶段（ε=15%）：NLRO 诱导位错增殖，释放应力集中
- 被 NLRO 钉扎的位错激活 Frank-Read 源，产生新位错环；
- 新生非平面位错分散应力集中，避免裂纹萌生 —— 此为 NLRO 提升应变硬化率的关键机制（单一 SRO 不具备）。
3. 大应变阶段（ε=30%）：位错网络形成，维持高延展性
- 大量增殖位错相互作用，形成高密度位错网络；
- 双尺度样品位错密度（~5×10¹⁴ m⁻²）远高于无有序样品（~2×10¹⁴ m⁻²），依据 Taylor 硬化定律，更高位错密度显著增强应变硬化能力，保障大变形能力。
4. 关键区别：为何优于传统沉淀强化？
传统沉淀强化因大尺寸析出相导致界面应力集中→位错塞积→裂纹萌生；而双尺度有序凭借超低晶格失配（0.04%）避免显著应力集中，并通过 NLRO 主动诱导位错增殖，将强化机制从“被动阻碍”转变为“主动调控位错演化”，实现强韧性协同。
六、温度依赖性与普适性
1. 温度对性能的影响
- 低温（87K）：效果最佳 —— 层错能低，平面滑移主导，NLRO 与位错相互作用强；
- 室温（293K）：层错能升高，位错呈波浪滑移，NLRO 作用减弱，应变硬化率下降，强塑积优势消失。
表明该设计更适用于低温极端环境。
2. 普适性验证
在 NiCrFe 基、CoCrNi 基中熵合金中复现双尺度有序设计，同样实现低温强塑积提升，证明该策略具有普适性，可作为新型低温材料理性设计准则。
八、结论与意义
1. 核心结论
- 提出“双尺度化学有序（SRO+NLRO）”设计策略，通过热力学调控实现两相与基体协同共存；
- 在 87K 下实现 1.2 GPa 屈服强度、42.6% 伸长率、76 GPa% 强塑积，突破传统低温材料强韧性瓶颈；
- 强化机制源于“NLRO 诱导位错增殖 + SRO 增加剪切阻力”的协同作用，规避了传统沉淀强化的应力集中问题。
2. 科学与工程意义
- 科学层面：揭示“原子尺度有序 → 纳米位错行为 → 宏观性能”的关联机制，丰富金属材料低温强化理论体系；
- 工程层面：为超导磁体、航天低温结构、LNG 储罐等提供高性能新材料，并建立可推广的设计范式，推动低温材料从经验筛选向理性设计转型。
