双尺度化学有序化策略提升CoNiV基合金的低温强塑性协同效应

这篇研究通过设计CoNiV基合金中(亚)纳米尺度的短程有序(SRO)和长程有序(LRO)双相结构，实现了在87K低温下1.2GPa屈服强度和42.6%断裂应变的优异组合。该工作揭示了纳米级L12有序域通过阻碍位错滑移并促进位错增殖的协同机制，为开发极端环境用高性能金属材料提供了新范式。

双尺度化学有序的微观结构设计

研究团队在Co₃₂Ni₃₂V₃₂Al₂Ti₂合金中构建了独特的双尺度有序结构：0.6nm尺寸的L1₁型短程有序域（密度2.4×10²⁶m^-3）与1.6nm的L1₂型长程有序域（密度4.5×10²⁵m^-3）共存于面心立方(FCC)基体。通过原子探针断层扫描(APT)和机器学习分析证实，V-Co/Ni对形成SRO，而Ni₃(Ti,Al)型NLRO域通过受限时效处理获得仅0.04%的极低晶格错配。

低温力学性能突破

在87K测试中，该合金展现出76GPa·%的强度-延伸率积，远超传统纳米沉淀强化材料。中子衍射显示NLRO域贡献了167MPa屈服强度提升，并通过几何相位分析(GPA)观察到位错在NLRO域处产生显著弹性应变集中（ε_xx达12%）。值得注意的是，应变硬化率比无序参比样提高1000MPa，这源于：

1. 1.

   NLRO阻碍Shockley不全位错运动，诱发弗兰克-瑞德位错源激活

2. 2.

   螺型位错比例提升至1.9（通过q参数表征）

3. 3.

   位错密度在30%应变时达1.7×10¹⁵m^-2，比参比样高1.29倍

原子尺度变形机制

高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)动态观测揭示：

• ?

  6%应变时：{111}面层错与完整NLRO域共存，产生局部应力集中

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  15%应变时：位错交滑移形成非平面位错环，缓解应力集中

• ?

  30%应变时：位错网络与剪切破坏的NLRO域形成多尺度缠结结构

温度依赖性机制

当温度升至293K时，由于堆垛层错能(SFE)升高导致位错交滑移主导变形，双尺度有序的强化效果减弱。第一性原理计算显示，低温下V-3d电子态密度变化使SFE降低42%，这是维持平面滑移的关键。

普适性验证

该策略在NiCrFe和CoCrNi基中熵合金(MEA)中同样有效，其中Ni₅₀Cr₃₀Fe₂₀合金的低温断裂韧性提升至405MPa·m^0.5。通过热力学计算指导的成分设计，可精准调控L1₂域尺寸在1-3nm区间，避免传统沉淀相（>5nm）引发的界面脆性。

这项研究为开发液氢储运、航天低温系统等极端环境用材料提供了原子尺度结构设计新思路，其核心创新在于利用熵焓平衡原理，在亚纳米尺度实现"有序域阻碍位错但允许增殖"的协同效应。