具有超高強度和高塑性的金屬材料是航空航天、交通運輸、能源電站等戰略工程領域迫切需求的結構材料。過去幾十年，材料學者們投入大量精力、開發了很多技術致力于金屬材料的晶粒細化，從亞微米到超細晶一直到納米尺度。雖然細化晶?？梢源蠓嵘{米晶材料的強度，使得其屈服強度達到1 GPa，甚至2GPa以上，但是常導致塑性的急劇損失。在無約束拉伸時，納米晶金屬材料表現出極其有限的拉伸塑性，其均勻延伸率通常在5%以下，而且在斷裂之前幾乎觀察不到加工硬化現象。一般認為，傳統塑性變形機制在納米尺度下不起主導作用，因為納米晶粒內，位錯通常從晶界發射，發射后迅速穿過晶粒并湮滅到相鄰的晶界上，幾乎沒有機會保留在晶粒內部。這種位錯儲存的缺乏剝奪了金屬最有效的應變硬化機制。此外，相比粗晶材料，納米晶金屬材料還表現出較低的熱穩定性，甚至一些納米晶金屬材料（如納米晶純銅）在室溫就會發生再結晶。塑性缺失和熱穩定性差也成為納米晶金屬材料工程應用的最大障礙。因此，需要設計新的結構賦予納米晶粒額外的加工硬化能力，以避免應變局域化。近些年，材料學者們在納米晶結構的基礎上引入空間結構或者成分的不均勻性來提高納米晶的加工硬化率，前者可以在異質結構界面激發大量幾何必需位錯的形成，后者可以阻礙納米晶粒內位錯的運動從而促進位錯的交割和儲存。兩種方法雖然達到提升塑性的目的，但是都有一些局限：前一種方法會損失材料強度，而后一種方法則對均勻延伸率的提升有限（<10%）。因此，制備高強(>2 GPa)高塑(>10%)高熱穩定性(>0.5 Tm)的納米晶金屬材料仍然是一項重要的挑戰。成分及相含量的設計與研究是材料科學的基因工程。呂堅院士團隊長期深耕于超納雙相、納米雙相及多相結構的設計和性能研究。其研究成果表明超納雙相、納米雙相結構對金屬材料甚至非金屬材料的諸多性能的提升有重大意義。基于這樣的設計理念，呂堅院士團隊已經開發了具有接近理論強度的超納雙相Mg合金（Ge Wu et al., Nature (2017)），高析氫催化活性的超納雙相Al合金（Sida Liu et al., Sci. Adv. (2022)），超低測溫極限的納米多相金剛石（Jianan Yin et al., Nat. Commun. (2024)）等。本工作中，香港城市大學呂堅院士團隊和楊濤副教授團隊合作，采用快冷甩帶的方法（冷卻速率大于105 K/s）在一種NiCo基多組元合金中引入了一種新型的納米雙相共格核殼結構，成功實現了強度、延展性和熱穩定性的同時提升。這種納米雙相核殼納米結構具體表現為超薄無序fcc納米層包裹納米級有序超晶格晶粒。這種核殼結構的形成是由于合金熔體快冷過程中， Fe、Co、B元素會自發地在晶界附近富集，降低合金的有序趨勢，形成超薄無序fcc納米層。相比于被廣泛研究的無序fcc納米晶，有序超晶格納米晶粒內位錯以超晶格位錯對的形式滑移，因而交滑移比較困難；并且由于我們所制備的NiCo基多組元合金具有較高的反相界面能（296 mJ/m2），變形過程中能夠有效地阻礙位錯運動，促進位錯對在納米晶粒內的反應和交割，從而提高了位錯儲存能力。而晶界處的無序納米層（約3 nm厚）則可以讓大量位錯輕易的從晶界發射，并且能在晶界處容納大塑性應變，防止晶間開裂。通過采用這種有序-無序核殼納米結構，我們所制備的多組元合金加工硬化率明顯提升，最終實現了高達2.5 GPa的拉伸強度和約15%的均勻延伸率。此外，這種雙相核殼納米結構在高溫下還能有效的抑制界面遷移，因而表現出高的熱穩定性，在1173 K（0.78 Tm）下仍能保持結構穩定。相關研究成果以題為“An order-disorder core-shell strategy for enhanced work-hardening capability and ductility in nanostructured alloys”發表在頂尖期刊《Nature Communications》上。通訊作者為香港城市大學呂堅院士和楊濤副教授。段峰輝博士和李倩博士為論文共同第一作者。其他作者包括：潘杰教授（華中科技大學），欒軍華博士（香港城市大學），沈哲靈博士（中科院金屬所），周鑫博士（香港城市大學），周維華博士（中科院金屬所），張士元博士（中科院金屬所），周琳博士生（香港城市大學），姜智浩博士生（香港城市大學）。 文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50984-9圖1 Ni42.4Co22.4Fe9.8Al11.0Ti12.6B1.8合金薄帶的納米雙相有序-無序核殼結構（平均晶粒尺寸為98 nm）；（a）橫截面TKD圖顯示隨機取向的等軸納米晶粒。（b）<100>晶帶軸下HAADF-STEM高分辨圖表明納米晶粒內是有序L12結構，毗鄰晶界處是無序的fcc結構，并與L12結構完全共格，厚度約為5 nm。（c）原子級HAADF-STEM EDS成像顯示納米晶粒內超點陣結構原子占位。（d和f）3D-APT重構圖和局部1維元素分布顯示元素成分空間分布，其中毗鄰晶界處富集Fe-Co-B，貧Ni-Al-Ti。 圖2 具有納米雙相有序-無序核殼結構的Ni42.4Co22.4Fe9.8Al11.0Ti12.6B1.8合金薄帶的微拉伸力學性能；（a）三個不同晶粒尺寸合金薄帶的微拉伸工程應力-應變曲線；其中d=98 nm和124 nm合金薄帶具有核殼結構，表現為較高的塑性；而d=79 nm樣品不具有核殼結構（超高冷速抑制了元素偏聚和無序納米層的形成），表現為近脆性斷裂。（b）納米雙相有序-無序核殼結構Ni42.4Co22.4Fe9.8Al11.0Ti12.6B1.8合金具有優異的強塑性匹配，高于絕大部分高熵合金和納米晶fcc金屬。（c）相比納米晶fcc金屬（如Ni、Co和NiCo），納米雙相核殼結構具有更高的加工硬化能力。（d-g）合金薄帶不同應變量下變形形貌。 圖3 具有納米雙相有序-無序核殼結構的Ni42.4Co22.4Fe9.8Al11.0Ti12.6B1.8合金薄帶的變形機制；（a）應變量為25%時（頸縮后）拉伸樣品的明場TEM圖；未變形區晶粒內位錯密度很低；平行段晶粒內位錯密度很高；（b-c）均勻變形段大量位錯從晶界發射；（d）頸縮區域晶粒經歷大變形，甚至被拉長；（e）頸縮區域，高密度位錯保存在晶粒內。（f）變形機制示意圖，初始階段，位錯從晶界發射；隨著變形量的增大，不同滑移系的位錯開動協調變形。圖4 具有納米雙相有序-無序核殼結構的Ni42.4Co22.4Fe9.8Al11.0Ti12.6B1.8合金薄帶的熱穩定性；（a）d=98 nm樣品硬度和晶粒尺寸隨退火溫度的變化曲線；（b）不同退火溫度下晶粒尺寸統計分布圖；（c-e）原始結構、1173 K和1273 K下退火后的明場高分辨圖；（f）納米雙相有序-無序核殼結構的Ni42.4Co22.4Fe9.8Al11.0Ti12.6B1.8合金具有優異的熱穩定性。呂堅院士（通訊作者）: 法國國家技術科學院（NATF）院士、香港工程科學院院士、香港高等研究院高級研究員、香港城市大學工學院院長、香港城市大學機械工程系講座教授、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任，AMF副主編。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，機械系統仿真模擬設計。曾任法國機械工業技術中 (CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人、法國特魯瓦技術大學機械系統工程系系主任、法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統與并行工程實驗室主任、香港理工大學機械工程系系主任、講座教授、兼任香港理工大學工程學院副院長、香港城市大學副校長（研究及科技）兼研究生院院長。曾任法國、歐盟和中國的多項研究項目的負責人；曾任歐盟第五框架科研計劃評審專家；歐盟第六框架科研計劃咨詢專家；中國國家自然科學基金委海外評審專家，中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西安交通大學、西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得72項歐、美、中專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry，Nature Water，Chemical Reviews, Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PRL、JACS、Angew. Chem. 等專業雜志上發表論文480余篇，引用4萬2千余次（Google Scholar）。個人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian。
楊濤（通訊作者），香港城市大學副教授，博導，國家自然科學基金優秀青年基金(港澳)和香港研究資助局杰出青年學者獲得者。現任職香港城市大學材料科學與工程系副教授，香港三維原子探針聯合研究實驗室（3D-APT）、國家貴金屬材料工程技術研究中心（NPMM）香港分中心、先進結構材料研究中心（CASM）的核心成員等。先后榮獲香港高等研究院(HKIAS)杰出博士后研究員， HKIAS Rising Star Award，國際材料聯盟IUMRS青年科學家，中國材料研究學會CMRS青年科學家，Materials Research Letters青年新銳獎，Acta/Scripta杰出審稿人等稱號，并于2021/22年度連續兩次入選美國斯坦福大學發布的年度材料科學領域全球Top 2% Scientists 榜單。長期從事先進金屬材料的合金設計與組織結構調控的研究，主要通過3D-APT、透射電鏡（HR-TEM）、增材制造（3D-Printing）等技術手段研究合金材料的成分設計、材料熱力學與動力學行為、固態相變行為與變形機制的精細調控等。截至目前，已在 Science (3篇), Nature Communications, Materials Today, Advanced Science, Advanced Materials, Acta Materialia, Scripta Materialia等國際期刊發表學術論文100余篇，組織撰寫英文專著一本，申請國內外發明專利多項。
段峰輝（第一作者），香港城市大學機械工程系博士后。2013年于北京科技大學材料科學與工程專業獲得工學學士學位，2019年于中國科學院大學（金屬研究所IMR）獲得博士學位，導師是李毅和潘杰研究員。2021年作為博士后加入香港城市大學呂堅教授課題組。主要從事納米孿晶和納米晶金屬結構材料的可控制備、力學性能和熱穩定性等方面的研究。截至目前，以第一作者在Nature Communications, Science Advances, Chemical Reviews, Acta Materialia, Journal of Science and Technology等期刊發表論文，授權國家發明專利3項。
李倩（共同一作），香港城市大學材料科學與工程系博士后。2013年畢業于山東大學材料科學與工程專業獲得工學學士學位，2019年于中國科學技術大學（金屬研究所IMR）獲得博士學位，導師是盧柯院士、陶乃镕和閆豐凱研究員。2021年作為博士后加入香港城市大學楊濤副教授課題組。主要從事先進高強鋼以及高熵金屬間化合物的成分、結構設計和力學性能研究；高熵合金氫脆行為；截至目前，以第一作者/共同一作/通訊作者在Nature Communications， Acta Materialia (3)， Scripta Materialia (4)等國際期刊發表論文。
