【NS精讀】讓金屬材料擁有優異性能的微結構設計—梯度納米結構

相對于傳統金屬材料，梯度納米金屬展現出了非常優秀的力學性能，是一類前途光明的新型材料。7月8日，清華大學李曉燕，中科院沈陽金屬研究所盧磊研究院等人在材料學科頂刊《Nature reviews materials》雜志發表了關于梯度納米金屬合金的力學性能及變形機理的綜述性文章，該論文全面總結了納米梯度金屬材料的制備，力學性能，變形機理以及未來的發展方向，下面筆者就帶大家精度這篇文獻。

1.梯度納米金屬材料的制備和組織結構特征

經過二三十年的研究，科學家已經發明了很多梯度那米金屬材料的制備方法，其主要包括：表面機械處理（例如表面摩擦），累積疊軋，激光沖擊，物理化學沉積，磁控濺射和3D打印。其中表面機械處理時最常用的方法，圖1位典型的表面機械處理的方法。

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圖1 表面機械處理方法，a表面機械摩擦處理(SMAT)是對板狀試樣進行表面機械摩擦處理的一種方法；b：表面機械磨削處理(SMGT)用于處理圓柱形樣品；c：表面機械軋制處理(SMRT)用于處理圓柱形樣品。

梯度金屬合金的微觀組織表現為晶粒的尺寸呈現梯度分布，沿某一方向由小變大或者由大變小。這種梯度組織分布非常有規律，圖2位典型的梯度納米金屬的微觀結構的掃描，透射照片。

圖2 梯度納米晶、梯度納米片層和梯度納米孿晶金屬的微觀結構，a梯度納米晶銅的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示，隨著深度的增加，晶粒尺寸增大。右邊是不同深度顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；b梯度納米胺化鎳的微觀結構的SEM圖像顯示了三個不同的具有納米結構(NS)的區域，超微晶粒(UFG)和超層結構(UFL)隨深度的增加而增加，右邊為不同深度的透射照片；c梯度納米孿晶銅的微觀結構SEM圖像顯示，隨著深度的增加，晶粒尺寸和孿晶厚度逐漸減小。右邊是不同深度的顆粒和孿晶的TEM圖像。

2.力學性能

之前許多研究都顯示梯度納米金屬材料具有良好的強塑性協調能力，非凡的加工硬化，超好的疲勞性能和優異的耐摩擦，剪切和腐蝕性能。如圖3所示，與傳統金屬材料相比，梯度那米金屬材料的力學性能更加優異。圖4則全面比較了梯度納米金屬材料與傳統材料的疲勞和剪切行為，可以看出，梯度納米金屬的力學性能分成出眾。

圖3 梯度納米結構和均質金屬及合金力學性能的比較，a具有納米晶粒、納米雙晶和梯度納米結構的各種金屬和合金的歸一化屈服強度與均勻延伸率的比較；香蕉形實體曲線表示常規金屬和合金的強度延展性的平衡，虛線表示梯度納米晶、均勻納米孿晶(NT)和多層微觀結構的強度延展性極限；b 在粗晶(CG)、納米晶(NG)和GNG Ni中，加工硬化速率隨真應變的變化；c梯度納米孿晶(GNT)和NT Cu的加工硬化速率隨真應變的變化；d CG鋼和GNG鋼的加工硬化速率隨真應變的變化。這些圖顯示了梯度納米結構金屬和合金的強度-延性協同和特殊的加工硬化。

圖4 梯度納米結構和均勻金屬及合金疲勞和摩擦行為的比較。a 疲勞壽命(Δσ/ 2,σ是壓力)在梯度nanograined (GNG)和粗粒度(CG)銅依賴的外加應力振幅關系；b在總應變振幅為(Δεt / 2) 0.29%和0.5%的GNG和CG銅的循環應力反；c納米孿晶鋼和CG鋼鐵應疲勞裂紋增長率(da / dN,裂紋長度和N周期數)作為應力強度因子范圍的函數(ΔK)；d CG、納米晶粒(NG)和GNG銅合金滑動后的表面形貌。

3.變形機理

梯度納米金屬材料獨特的微觀結構導致其在變形時呈現出獨特的變形機制，目前為止發現的變形機制包括形成塑性應變梯度，獨特的位錯機構，不均勻變形誘導的應力，晶粒粗化和各種機理之間的協同作用。圖5包含了各種變形機理及其相互之間的聯系。

圖5 梯度納米結構金屬和合金的變形機理。a由A、B和C組成的梯度納米顆粒(GNG)結構模型;晶粒尺寸從頂部和底部到中心逐漸增大；b?GNG金屬及其構件A、B、C的拉伸應力-應變曲線顯示構件在I、II、III和IV四個典型變形階段的逐步屈服；c板B中A、B、C三個分量的應變從I階段到IV階段的演化。e和p分別代表彈性和塑性應變。e+p表示彈塑性應變共存；d和e?采用有限元模擬方法計算了二維GNG Cu試樣在單軸拉應力和塑性應變作用下的截面軸向拉應力和塑性應變分布，結果表明，應力和塑性應變梯度源于粒度梯度，是梯度應力和塑性應變場的遞進發展；f幾何必要位錯(GNDs)的分布說明;用近晶界(GBs)表示，在塑性變形的GNG結構中；g形變梯度納米孿晶銅的透射電子顯微鏡圖像在晶粒和孿晶尺寸上具有雙重梯度。紅色箭頭表示一束集中的位錯；h和I?g圖中白色方格區域的TEM圖像；k應力-應變卸載-重新加載的GNG樣品；l和m在室溫下5%和25%不同拉伸應變下GNG Cu頂表面的TEM圖像，表明由于塑性變形下GB遷移導致晶粒均增粗；o?GB偏移與剪切變形耦合

4.未來展望

作為一種新興的納米結構材料，GNS金屬和合金獲得了優異的力學性能，這在同類材料中是不可能的。這些力學性能源于梯度微觀結構，其中許多不均勻的塑性變形機制被激活，包括多種變形特征和機制，包括明顯的應變梯度，新的位錯活動和機械驅動晶粒粗化。雖然GNS金屬和合金的制造和力學已經取得了一些進展，但仍有許多關鍵問題需要解決。在此，作者強調了GNS材料進一步發展和創新的一些關鍵問題和挑戰(圖6)。

圖6 梯度納米結構金屬和合金的開放問題和挑戰。受梯度納米材料領域近年來快速發展的啟發，總結了梯度納米材料發展中存在的問題和挑戰。有些問題也更普遍地適用于非均質納米結構材料

參考文獻：

Xiaoyan Li , Lei Lu, Jianguo Li , Xuan Zhang?and Huajian Gao，Mechanical properties and?deformation mechanisms of gradient?nanostructured metals and alloys，Nature reviews materials，2020.

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41578-020-0212-2

本文由虛谷納物供稿。

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