梯度納米孿晶金屬中的額外強化與加工硬化研究獲突破

自然界中梯度結構無處不在。近來，微觀結構梯度的概念被越來越多地應用於工程材料中。鑒於其獨特的變形機制，梯度結構材料普遍表現出較好的強度、硬度、加工硬化及抗疲勞性能等。但如何理解結構梯度對力學性能的影響規律長期以來面臨巨大挑戰。其原因之一是現有技術很難製備出結構梯度精確可調控的塊體材料，如表面加工或機械處理技術所獲樣品梯度層體積分數及結構梯度均有限，從而嚴重限制了人們對梯度結構金屬內在梯度與力學性能相關性以及其本徵變形機制的理解。

最近，中國科學院金屬研究所研究員盧磊課題組和美國布朗大學教授高華健研究組合作在這一領域取得突破。他們發現增加結構梯度可實現梯度納米孿晶結構材料強度—加工硬化的協同提高，甚至可超過梯度微觀結構中最強的部分。梯度納米孿晶強化的概念結合了多尺度結構梯度，進一步提高了材料的強度極限，並為發展新一代高強度/延性金屬材料提供了新思路。

研究人員利用直流電解沉積技術，通過調節電解液溫度，實現孿晶片層厚度和晶粒尺寸沿樣品厚度的梯度變化，獲得結構梯度定量可控的納米孿晶銅材料。隨結構梯度增加，梯度納米孿晶銅強度和加工硬化率同步提高；結構梯度足夠大時，梯度材料的強度甚至超過了梯度微觀結構中最強的部分。這種獨特的強化行為在其它均勻、非均勻微觀結構中均未觀察到。微觀結構分析與分子動力學計算模擬結合發現，梯度納米孿晶銅額外的強化和加工硬化歸因於梯度結構約束而產生的大量幾何必需位錯富集束。這些位錯富集束在變形初期形成，沿著梯度方向均勻分布在晶粒內部。這種均勻分布的位錯束結構與均勻結構材料中隨機分布的統計儲存位錯結構截然不同。具有超高位錯密度的位錯富集束變形過程中通過阻礙位錯運動、有效抑制晶界應變局域化從而提高梯度納米孿晶結構的強度和加工硬化。

該研究獲得國家自然科學基金委國際合作重點項目、科技部國家重點基礎研究發展計劃、中科院前沿科學重點研究項目等的資助。該成果於11月2日在線發表在《科學》（Science）周刊上。

圖：梯度納米孿晶結構引起金屬材料的額外強化和塑性。梯度納米孿晶結構（GNT）具有孿晶片層厚度和晶粒尺寸的空間梯度結構。該材料表現出了良好的強-塑性協同，其屈服強度甚至超過了梯度微觀結構中最強的部分。梯度納米孿晶結構綜合拉伸性能優異於依靠非均勻結構變形機制強化的梯度納米晶結構（GNG）和層狀結構（multilayer）以及均勻納米孿晶（NT）等結構。

來源：中國科學院金屬研究所

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