編輯丨王多魚

排版丨水成文

絕大多數(shù)合金及其微結(jié)構(gòu)設(shè)計在過去數(shù)十年間主要針對室溫及高溫環(huán)境下的力學(xué)性能優(yōu)化。隨著我國在極地、深海、深空及能源等極端環(huán)境領(lǐng)域的持續(xù)探索，低溫嚴(yán)苛工況對金屬結(jié)構(gòu)材料的綜合力學(xué)性能提出了前所未有的挑戰(zhàn)。在此類環(huán)境下，結(jié)構(gòu)材料不僅需要具備高強(qiáng)度，還必須兼顧優(yōu)異的延展性與斷裂韌性。然而，低溫強(qiáng)韌性協(xié)同提升始終是工程應(yīng)用中的世界性難題。

2025 年 8 月 27 日，華東理工大學(xué)張顯程教授作為共同通訊作者（陸體文博士和孫彬涵教授作為共同第一作者），在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys的研究論文。

該研究通過對材料熵和焓的同步精準(zhǔn)調(diào)控，可以在鈷鎳釩（CoNiV）基合金中熵合金內(nèi)形成高密度的短程有序結(jié)構(gòu)（SRO）與納米長程有序（NLRO）的雙尺度納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得材料在臨近液氮溫度下獲得超高抗拉強(qiáng)度和低溫斷裂韌性，該研究將為極端低溫環(huán)境服役的關(guān)鍵構(gòu)件制造提供全新材料設(shè)計思路。

金屬材料在嚴(yán)酷的低溫環(huán)境下常表現(xiàn)出機(jī)械性能的退化，這為低溫基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

在這項最新研究中，研究團(tuán)隊在鈷鎳釩（CoNiV）基合金的金屬固溶體基體中設(shè)計了一種雙尺度原子有序納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特征在于同時存在超高密度的亞納米級短程有序區(qū)域（~2.4×102? m?3）和納米級長程有序區(qū)域（~4.5×102? m?3），旨在提升材料在低溫下強(qiáng)度與塑性的協(xié)同效應(yīng)。

研究顯示，納米長程有序結(jié)構(gòu)通過位錯阻塞效應(yīng)及其引發(fā)的新位錯生成，不僅提升了位錯剪切應(yīng)力，還顯著加速了位錯增殖。同時，這種效應(yīng)能夠緩解長程有序障礙物處的應(yīng)力集中，從而抑制此類區(qū)域作為損傷形核源的潛在風(fēng)險。實驗表明，該合金在 87 K 低溫下實現(xiàn)了 76 GPa% 的強(qiáng)塑性積（屈服強(qiáng)度約 1.2 GPa），顯著優(yōu)于缺乏此類多尺度有序結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)材料——后者通常僅含有數(shù)十納米尺寸的短程有序或共格析出相。

該研究揭示了雙級化學(xué)有序結(jié)構(gòu)對復(fù)雜合金低溫力學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制，為通過有序態(tài)調(diào)控提升深冷應(yīng)用材料的力學(xué)性能提供了理論依據(jù)與技術(shù)路徑。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09458-1