近日，中國科學院金屬研究所盧磊研究員課題組和美國布朗大學高華健教授研究組合作在梯度納米孿晶金屬中的額外強化與加工硬化研究取得重要突破，該成果發(fā)表在《Science》（《科學》）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用于工程材料中。鑒于其獨特的變形機制，梯度結(jié)構(gòu)材料普遍表現(xiàn)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(jié)構(gòu)梯度對力學性能的影響規(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，如表面加工或機械處理技術(shù)所獲樣品梯度層體積分數(shù)及結(jié)構(gòu)梯度均有限，從而嚴重限制了人們對梯度結(jié)構(gòu)金屬內(nèi)在梯度與力學性能相關(guān)性以及其本征變形機制的理解。
最近，中國科學院金屬研究所盧磊研究員課題組和美國布朗大學高華健教授研究組合作在這一領(lǐng)域取得突破性進展。他們發(fā)現(xiàn)增加結(jié)構(gòu)梯度可實現(xiàn)梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)材料強度—加工硬化的協(xié)同提高，甚至可超過梯度微觀結(jié)構(gòu)中最強的部分。梯度納米孿晶強化的概念結(jié)合了多尺度結(jié)構(gòu)梯度，進一步提高了材料的強度極限，并為發(fā)展新一代高強度/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-塑性協(xié)同，其屈服強度甚至超過了梯度微觀結(jié)構(gòu)中最強的部分。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)變形機制強化的梯度納米晶結(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，梯度納米孿晶銅強度和加工硬化率同步提高；結(jié)構(gòu)梯度足夠大時，梯度材料的強度甚至超過了梯度微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中均未觀察到。微觀結(jié)構(gòu)分析與分子動力學計算模擬結(jié)合發(fā)現(xiàn)，梯度納米孿晶銅額外的強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(nèi)部。這種均勻分布的位錯束結(jié)構(gòu)與均勻結(jié)構(gòu)材料中隨機分布的統(tǒng)計儲存位錯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ)研究發(fā)展計劃、中國科學院前沿科學重點研究等項目資助。
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