中科院沈陽金屬所&美國布朗大學今日Science：梯度納米孿晶金屬強度和硬度的同步增強

【前言】

梯度結構普遍存在于天然材料中，如骨頭、貝殼和樹木。微結構梯度正越來越多地被引入到各種工程材料中，通過不同于無梯度對等體的變形機制，為材料提供更高的強度、硬度、加工硬化、延展性和抗疲勞性。然而，理解包括工程材料在內的所有梯度結構中與結構梯度相關的力學行為一直是一項挑戰。

盡管結構梯度的控制對于獲得優化的機械性能至關重要，但是現有的制造方法限制了塊體梯度材料。例如，表面加工和機械處理會產生僅位于表面附近的有限的梯度層，或者產生沿梯度方向可忽略的結構梯度。所有這些都限制了我們調控機械性能和理解梯度結構金屬變形機制的能力。

【成果簡介】

今日，來自美國布朗大學的Huajian Gao和中科院沈陽金屬所的盧磊研究員（共同通訊）聯合在Science上發文，題為“Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals”。作者研究了純銅中具有高度可調結構梯度的梯度納米孿晶結構的機械性能。較大的結構梯度允許優異的硬度和強度，機械性能優于梯度結構中的任一組分。作者通過系統實驗和原子模擬發現，這種不尋常的行為是由晶粒內部超高密度位錯的獨特圖案提供的。這些觀察結果不僅揭示了梯度結構，也可能為通過梯度設計改善材料的機械性能指明了一條有希望的途徑。

【圖文導讀】

圖1. 典型的GNT樣品GNT - 1的微結構和結構梯度

圖2. GNT結構的機械性能

圖3. GNT - 4在1 %應變下的變形微結構

圖4. 大規模原子模擬的GNT強化和相關變形機制

【總結】

在作者簡單的自下而上的方法中，在純Cu中創建梯度納米孿晶結構，大的結構梯度允許高強度和硬度的完美結合，機械性能優于梯度結構中的任一組分。實驗和計算證據都表明，用可調結構梯度覆蓋整個結構對于晶粒內部高密度位錯的發展非常重要。這項工作中作者提出的梯度納米孿晶強化概念為結合不同長度的結構梯度以推進材料的強度極限提供了深刻的見解，對于創造下一代既具有高強度又具有高延展性的金屬來說，這可能是必不可少的。

文獻鏈接：Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals, (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aau1925)

本文由材料人編輯部學術組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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