近日，中國科學(xué)院金屬研究所盧磊研究員課題組和美國布朗大學(xué)高華健教授研究組合作在梯度納米孿晶金屬中的額外強(qiáng)化與加工硬化研究取得重要突破，該成果發(fā)表在《Science》（《科學(xué)》）周刊（2018年11月2日在線Advance Online Publication (AOP) on Science's website）。
自然界中梯度結(jié)構(gòu)無處不在。近來，微觀結(jié)構(gòu)梯度的概念被越來越多地應(yīng)用于工程材料中。鑒于其獨(dú)特的變形機(jī)制，梯度結(jié)構(gòu)材料普遍表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度、硬度、加工硬化及抗疲勞性能等。但如何理解結(jié)構(gòu)梯度對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律長期以來面臨巨大挑戰(zhàn)。其原因之一是現(xiàn)有技術(shù)很難制備出結(jié)構(gòu)梯度精確可調(diào)控的塊體材料，如表面加工或機(jī)械處理技術(shù)所獲樣品梯度層體積分?jǐn)?shù)及結(jié)構(gòu)梯度均有限，從而嚴(yán)重限制了人們對(duì)梯度結(jié)構(gòu)金屬內(nèi)在梯度與力學(xué)性能相關(guān)性以及其本征變形機(jī)制的理解。
最近，中國科學(xué)院金屬研究所盧磊研究員課題組和美國布朗大學(xué)高華健教授研究組合作在這一領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)增加結(jié)構(gòu)梯度可實(shí)現(xiàn)梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度—加工硬化的協(xié)同提高，甚至可超過梯度微觀結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的部分。梯度納米孿晶強(qiáng)化的概念結(jié)合了多尺度結(jié)構(gòu)梯度，進(jìn)一步提高了材料的強(qiáng)度極限，并為發(fā)展新一代高強(qiáng)度/延性金屬材料提供了新思路。
圖1 梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)引起金屬材料的額外強(qiáng)化和塑性。梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)（GNT）具有孿晶片層厚度和晶粒尺寸的空間梯度結(jié)構(gòu)。該材料表現(xiàn)出了良好的強(qiáng)-塑性協(xié)同，其屈服強(qiáng)度甚至超過了梯度微觀結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的部分。梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)綜合拉伸性能優(yōu)異于及依靠非均勻結(jié)構(gòu)變形機(jī)制強(qiáng)化的梯度納米晶結(jié)構(gòu)（GNG）和層狀結(jié)構(gòu)（multilayer）以及均勻納米孿晶（NT）等結(jié)構(gòu)。
研究人員利用直流電解沉積技術(shù)，通過調(diào)節(jié)電解液溫度，實(shí)現(xiàn)孿晶片層厚度和晶粒尺寸沿樣品厚度的梯度變化，獲得結(jié)構(gòu)梯度定量可控的納米孿晶銅材料。隨結(jié)構(gòu)梯度增加，梯度納米孿晶銅強(qiáng)度和加工硬化率同步提高；結(jié)構(gòu)梯度足夠大時(shí)，梯度材料的強(qiáng)度甚至超過了梯度微觀結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的部分。這種獨(dú)特的強(qiáng)化行為在其它均勻、非均勻微觀結(jié)構(gòu)中均未觀察到。微觀結(jié)構(gòu)分析與分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬結(jié)合發(fā)現(xiàn)，梯度納米孿晶銅額外的強(qiáng)化和加工硬化歸因于梯度結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生的大量幾何必需位錯(cuò)富集束。這些位錯(cuò)富集束在變形初期形成，沿著梯度方向均勻分布在晶粒內(nèi)部。這種均勻分布的位錯(cuò)束結(jié)構(gòu)與均勻結(jié)構(gòu)材料中隨機(jī)分布的統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)存位錯(cuò)結(jié)構(gòu)截然不同。具有超高位錯(cuò)密度的位錯(cuò)富集束變形過程中通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、有效抑制晶界應(yīng)變局域化從而提高梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和加工硬化。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金委國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究等項(xiàng)目資助。
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