西交大联合团队揭秘新型'强且柔'合金的科学奥秘！

【研究背景】

随着科技的发展，诸如变形飞机和超强人工肌肉等未来技术的需求不断增长。这些技术要求金属合金不仅要具备超高的强度，还需具有如聚合物般的柔韧性。这种“强且柔”的特性组合能够实现低驱动成本的大范围形状变化，并且在大负荷下提供强大的抗断裂或屈服失效的能力，因此被广泛关注。然而，实现这种特性的合金一直面临挑战，因为强度与柔韧性之间存在不可避免的权衡。

“强且柔”合金的关键在于其强度和弹性模量的结合。传统材料中，钢铁可以提供很高的强度（屈服强度σy > 1 GPa），但同时其杨氏模量较高（E ≈ 200 GPa），表现出较强的刚性。相反，有机材料如纤维增强聚合物（FRP）则显示出较低的杨氏模量（E ≈ 10 GPa），具有较好的柔韧性，但其强度较低（σy < 0.3 GPa）。这种强度与柔韧性之间的权衡使得现有合金无法同时具备钢铁般的高强度和聚合物般的低模量，从而限制了其在高性能应用中的潜力。

为了解决这些问题，西安交通大学的纪元超&马天宇和西安交通大学&日本国立物质材料研究所的任晓兵团队联合尝试开发具有高强度和低模量的合金。一些基于形状记忆合金（SMA）的研究虽然取得了1 GPa级的高强度，但模量仍较高（E ≈ 30 GPa），而一些应变玻璃合金则表现出较低的模量（E ≈ 20 GPa），但强度不足（σy ≈ 0.3 GPa）。这些合金仍未能突破传统材料的性能限制，未能实现所期望的“强且柔”特性。

本研究介绍了一种Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，这种合金突破了强度与柔韧性的权衡限制，展示了超高的屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和聚合物般的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），同时具有约8%的超大橡胶状J型弹性应变。这种合金的柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17）远高于现有结构材料，并且其聚合物状的超高强度特性能够在宽温度范围内（−80°C至+80°C）保持稳定。此外，该合金展现出优异的高应变疲劳抗性。这一研究通过简单的三步热机械处理制备出具有双种子应变玻璃微结构的合金，不仅提升了其强度，还降低了模量。通过原位X射线衍射分析，研究揭示了该合金的聚合物状变形行为源于应变玻璃与R相和B19′马氏体之间的无核化可逆转变。这些成果为未来技术的发展提供了新的材料选择，尤其是在航空航天和人工肌肉领域。

【表征亮点】

1. 实验首次制备了一种Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，该合金展现了超高屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和聚合物般的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），同时具有约8%的超大橡胶状弹性应变。这种组合使其柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17）显著高于现有的结构材料。

2. 实验通过简单的三步热机械处理制备了该合金，该过程可扩展至工业生产线。该处理不仅导致超高强度（由于变形强化），还通过形成独特的“双种子应变玻璃”微结构（包含对齐的R相和B19′马氏体“种子”）实现了超低模量。原位X射线衍射显示，该合金的聚合物状变形行为源于应变玻璃与R相和B19′马氏体之间的无核化可逆转变。

3. 该合金在宽温度范围内（−80°C至+80°C）保持其优异的力学性能，适用于航空航天技术，并展现出优异的高应变疲劳抗性。在温度范围193 K至353 K内，合金的超高强度和柔韧性稳定性使其在多个未来技术领域中具有广泛应用潜力。

【图文解读】

图1：将类聚合物的超高强度DS-STG合金与典型的金属合金和有机材料进行比较。

图2：DS-STG合金在宽温度范围内表现出类聚合物的超高强度，同时具有优异的高应变抗疲劳性能。

图3：采用三步热处理路线，实现了DS-STG合金及各步骤后试样的显微组织。

图4: DS-STG合金聚合物样弹性的原位XRD分析。

图5: Ta≈573 K时DS-STG态的类聚合物超低模量和高可恢复应变。

【科学启迪】

这篇文章的研究揭示了一种新型的Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，突破了传统金属合金在强度与柔韧性之间的权衡限制。该合金结合了钢铁般的超高屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和聚合物般的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），同时具有约8%的超大橡胶状弹性应变，表现出极高的柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17）。这一突破不仅在宽温度范围内（−80°C到+80°C）保持优异性能，还展现了出色的高应变疲劳抗性。

科学上，这一研究为实现同时具备高强度与高柔韧性的合金开辟了新路径，挑战了以往合金设计中的强度与柔韧性不可兼得的固有观念。通过简单的三步热机械处理工艺，该合金的成功制备也为大规模工业应用提供了可行性。这一发现对未来技术，如变形航空航天器和超人型人工肌肉，具有重要的推动作用，展现了在材料科学领域中克服传统限制的巨大潜力。

参考文献：Xu, Z., Ji, Y., Liu, C. et al. A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4