​突破传统材料极限：超强超柔Ti-Ni合金开创未来科技新篇章！

【研究背景】

金属合金因其在现代工程技术中的广泛应用而成为研究热点，例如在航空航天器、超强人工肌肉等领域。然而，传统的金属合金常面临强度与柔韧性之间的权衡问题，即高强度通常伴随着高刚度，而高柔韧性则常常意味着较低的强度。具体来说，钢铁虽然可以达到极高的屈服强度（σy > 1 GPa），但其杨氏模量（E ≈ 200 GPa）过高，使得其刚性过大。而有机材料如纤维增强聚合物（FRP）虽然具有低杨氏模量（E ≈ 10 GPa）且较为柔韧，但其屈服强度较低（σy < 0.3 GPa），这使得它们在承受大负荷时表现出较弱的性能。因此，如何在金属合金中实现既高强度又高柔韧性的性质，一直是材料科学研究中的难题。

为了解决这一挑战，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提出并开发了一种新型Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金。这种合金通过简单的三步热机械处理制备而成，具有超高的屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和类似聚合物的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），并且展示了约8%的超大橡胶状弹性应变。实验结果表明，这种合金的柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17）显著高于现有结构材料，并且在宽温度范围内（−80°C至+80°C）保持优异的性能。该研究不仅克服了传统合金在强度和柔韧性上的权衡问题，还为未来的高性能材料应用开辟了新的方向。

【科学亮点】

1. 实验首次展示了Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，具有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），以及约8%的超大橡胶状J型弹性应变。

2. 实验通过三步热机械处理制备该合金，形成了独特的“双种子应变玻璃”微结构，由应变玻璃基体和少量对齐的R相和B19′马氏体“种子”组成。这种微结构使得合金具有优异的柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17），超过现有结构材料。

3. 结果表明，该合金能够在−80°C至+80°C的宽温度范围内保持其超高强度和低弹性模量特性，且在高应变下表现出优异的疲劳抗性。此外，合金的聚合物状变形行为源于应变玻璃与R相和B19′马氏体之间在加载和卸载过程中的无核化可逆转变。

【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】

在金属合金设计中，实现“强且柔”的性能组合是可能的，且可以突破传统材料的强度-柔韧性权衡。这项研究展示了Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，凭借其超高屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），成功突破了金属合金在强度与柔韧性之间的固有矛盾。通过简单的三步热机械处理，该合金不仅展示了优异的柔韧性（σy/E ≈ 0.17），还保持了在广泛温度范围内的稳定性能。

这种合金的独特性质来源于其“双种子应变玻璃”微结构，这种结构通过无核化的可逆转变机制，实现了类似聚合物的变形行为。这一发现为未来技术的发展开辟了新的可能性，例如变形航空器和超强人工肌肉。通过对这种合金的深入研究和应用，科学家们能够设计出性能超越现有材料的新型结构材料，这不仅有助于推动材料科学的发展，也可能引领新一代高性能技术的实现。

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" target="_blank">https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4