西安交大材料顶刊综述：晶体-非晶纳米双相合金实现超高强度与大塑性均匀形变

更高的强度和更大的塑性是结构材料研究的永恒目标。晶粒细化和非晶化是提高合金强度的两种有效途径，但它们仍有一定局限性。通过将晶粒尺寸减小到纳米级，合金的屈服强度可以显著提高到约E/100（E为材料的杨氏模量）。然而，由于其晶界的力学不稳定性，使得延伸率大幅降低（<5 %）。通过结构非晶化，形成金属玻璃，合金的屈服强度可以进一步提高到约E/50。然而，金属玻璃在屈服后的剪切带软化效应，导致其室温塑性几乎为零。

用纳米尺寸的非晶相取代多晶材料中的晶界以构建晶体-非晶纳米双相(CG-NDP)结构，为同时提高金属材料的强度和塑性提供了一种有效的合金结构设计策略。这种结构构型显著增加了晶体相中位错运动的应力势垒，从而将屈服强度大幅提升至近理论值（~E/30到 ~E/20，例如一种3.3 GPa镁基合金Mg-Cu-Y，一种4.1 GPa多主元合金CrCoNi-Fe-Si-B，一种1.7 GPa铝合金Al-Ni-Y (Nature 545, 80 (2017)；Adv. Mater. 32, 2002619 (2020)); Nat. Commun. 10, 5099 (2019)）。此外，纳米非晶相的全局塑性流变行为在此极小尺寸下被激活，进而促进晶体-非晶界面处的位错发射。部分位错穿过晶体相并被对侧的晶体-非晶界面吸收，呈现出位错连续发射、运动和湮灭的过程。另有一部分位错在晶体相内部积累，从而促进应变硬化。这些变形机制可使材料在压缩和拉伸条件下均能实现较大的均匀塑性变形。

近日，西安交大金属材料强度全国重点实验室、微纳尺度材料行为研究中心（CAMP-Nano）吴戈教授-单智伟教授团队综述了CG-NDP合金的最新研究进展，该工作以“Crystal-glass nano-dual-phase alloys achieve ultrahigh strength and large homogeneous plastic deformation”为题发表在材料顶级期刊Advanced Materials。博士生张彦宁为论文第一作者，吴戈教授和单智伟教授为论文通讯作者。

论文连接：

http://doi.org/10.1002/adma.202517926

该工作系统总结了CG-NDP合金的制备方法、变形机制和其作为高性能耐磨涂层和电化学催化剂的应用。

图1CG-NDP合金的制造策略、力学性能、变形机制和相关应用的示意图

1、制备方法

根据薄膜和块体材料显著的尺寸特征，分别介绍了它们的制备方法。

①薄膜。制备方法主要包括物理气相沉积、液-固熔体淬火和激光表面处理三种技术手段。物理气相沉积中的磁控溅射方法因其精确的尺寸控制和成分灵活性，成为制备CG-NDP合金薄膜的首选方法。该技术可以制备出致密且结构均匀的CG-NDP 薄膜，且无需进行后处理。高通量磁控溅射方法可在单次溅射过程中制备出成分梯度样品（Nature 569, 99 (2019)；Nat. Mater 21, 165 (2022)），即一次实验即可合成多种成分，从而显著加速了CG-NDP合金的制备与筛选过程。

②块体材料。主要介绍了非晶-晶体固态相变、固态部分非晶化和惰性气体冷凝三种制备策略。块体CG-NDP 合金的制备面临巨大挑战。一方面，纳米晶和非晶均处于高能态，需要采用非平衡制备技术来分别抑制晶粒粗化和非晶晶化。这些技术生产出的样品的尺寸通常有限。另一方面，纳米晶与非晶的形成判据存在差异，且制备过程中需精准调控高非晶形成能力元素向晶界的偏聚，这对工艺控制提出了极高的要求。展望未来，实现块体 CG-NDP 合金的可控合成，需要材料成分设计与创新加工策略的协同融合。

图2(a) Mg-Cu-Y CG-NDP合金的HRTEM图像；(b) Cu-1.0 at.% Zr, (c) Cu-3.0 at.% Zr, (d) Cu-7.0 at.% Zr合金的HRTEM图像；(e) Al-16 at.% Mo, (f) Al-32 at.% Mo, (g) Al-50 at.% Mo合金的HRTEM图像；(h) 高通量磁控溅射方法示意图; (i) Cu-Ti合金库的高通量制备。

2、力学性能和变形机制

①近理论强度。高强度的非晶相提高了位错形核的应力势垒，阻碍位错的运动。传统的晶界被超高强度的纳米非晶相取代，这抑制了晶界滑动和晶界迁移，从而有效地抑制了极小尺寸纳米晶的晶界软化效应。同时，晶体相能抑制或延缓非晶相中剪切带的形核与扩展，从而缓解了非晶合金中存在的剪切带软化效应。

②晶体相内的位错运动与非晶相内的全局剪切转变事件。非晶相无序的原子结构和优异的原子迁移能力赋予了晶体-非晶界面独特的剪切/滑移传递特性。晶体相内位错与非晶相内剪切转变区（STZ）的相互作用不仅促进了两相的协同变形，还激活了诸如晶化和相变等机制，从而增强了塑性。晶体相施加的拓扑约束与位错-STZ相互作用产生协同效应，在纳米尺度的非晶相内优先激活了均匀塑性流变，而非形成剪切带。

③应变硬化机制。纳米孪晶的形成和变形过程中的动态晶粒细化有助于提高合金应变硬化能力。此外还介绍了一种准静态加载下元素配分介导的晶体-非晶相变的新机制。基于混合焓设计原则，调控晶体-非晶纳米双相多主元合金的两相组成元素，使其具有较大负混合焓。在室温准静态塑性变形过程中，由于纳米非晶相的尺寸效应，其剪切转变事件被全域激活。同时，位错从晶体-非晶界面处发射，并且在晶体相内部运动。最终，位错(连同被拖拽的原子)被界面处的非晶相吸收。两相内各自塑性载体的协同演化引发相界面区域原子发生大量重排，从而使两相原子混合。在较大负混合焓的作用下促进了晶体向非晶的转变，并提供应变硬化。

图3(a) 变形后的CrCoNi–Fe–Si–B CG-NDP合金微柱的LAADF-STEM图像；(b)为(a)中红色箭头指示的变形晶粒的更大放大倍数的LAADF-STEM图像；(c) Cr-Ni-Co/Zr-Ti-Nb-Hf-Ni-Co晶体-非晶纳米片层合金的压缩工程应力-应变曲线；(d)合金设计策略的示意图；(e)变形材料的APT数据集的三维重构；(f)和(g)准静态加载后合金的二维等高线图；(h)和 (i) 分别为合金原位TEM压缩前和压缩后的TEM图像； (j)为（i）中放大矩形区域的HRTEM图像。

3、应用

①耐磨涂层。得益于超高强度以及其抑制摩擦诱导应变局域化的能力，CG-NDP结构显著增强了金属材料的耐磨性。此外，CG-NDP合金优异的热稳定性和机械稳定性有助于其作为高温耐磨涂层（Acta Mater. 277, 120171 (2024);Acta Mater. 296, 121272 (2025)）。通常在包含至少三种组元、且具有强负混合焓和显著原子尺寸失配的成分复杂合金的磨损表面观察到由摩擦诱导形成的CG-NDP结构。这种结构转变是由磨损表面的剧烈剪切应力以及复杂的热-化学相互作用共同驱动的。

②高性能催化剂。CG-NDP合金可作为高效的析氢和析氧催化剂（Sci. Adv. 8, add6421 (2022); Adv. Mater.35, 2206890 (2023)），它结合了非晶相丰富的活性位点与晶体相的高导电性及结构稳定性。由于晶体相与非晶相在原子排列上的显著差异，晶体-非晶界面的存在促进了电化学反应过程中缺陷的生成，从而提高了活性位点的密度。此外，晶体-非晶界面还能调节反应中间体的吸附能并促进电子转移，从而显著提升催化反应动力学。

图4(a1) (TiNbZr)75Ag25合金划痕的3D轮廓图；(a2), (a3), (a4)分别为磨损表面的TEM, ABF-STEM, 原子分辨率的ABF-STEM图像；(b) 磨损表面制备的样品的APT 3D重构图；(c)与图(b)中红色箭头对应的1D数据；(d)非晶-纳米晶氧化物与(TiNbZr)75Ag25合金纳米柱压缩的工程应力-应变曲线；(e) SEM图展示纳米柱压缩后形貌。

总结与展望

在这篇综述中，我们总结了CG-NDP合金的制备方法、力学性能、变形机制及功能应用。独特的CG-NDP结构实现了近理论强度和大的均匀塑性变形。实验和模拟分析均表明，位错-STZ交互作用以及异质晶体-非晶界面对力学性能起着决定性影响。这些优异的力学性能使其在室温和高温下均具备卓越的耐磨性，而独特的界面效应则赋予了其出色的析氧反应和析氢反应催化活性。在未来，需要解决以下关键问题：(1)块体CG-NDP合金的制备；(2) CG-NDP合金的热稳定性。

来源：材料科学与工程公众号。感谢论文作者团队支持。

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