導(dǎo)讀：本文開創(chuàng)性地結(jié)合Mg基雙相金屬玻璃與梯度納米晶結(jié)構(gòu)，成功設(shè)計(jì)出多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鎂合金，將梯度納米晶鎂合金延伸率提升至20%，恢復(fù)至未SMAT（粗晶）鎂合金的延展性。同時(shí)，合金屈服強(qiáng)度得以保存在230MPa，與SMAT鎂合金強(qiáng)度相當(dāng)。多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鎂合金的優(yōu)異力學(xué)性能由三種變形機(jī)制協(xié)同作用：雙相金屬玻璃發(fā)生多重剪切帶與納米晶化，金屬玻璃阻擋裂紋延伸，SMAT納米晶層晶粒長大。通過結(jié)合異質(zhì)金屬玻璃與梯度納米晶，類似的新型納米結(jié)構(gòu)可以得到高強(qiáng)度高塑性銅（見補(bǔ)充材料）。這一合金設(shè)計(jì)理念有望在其他合金體系實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高延伸性的結(jié)合。

鎂合金由于高強(qiáng)度低密度的特點(diǎn)，在航空航天，汽車自動(dòng)化，生物醫(yī)用合金等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)在先前工作中發(fā)現(xiàn)非晶包裹納米晶的超納雙相鎂合金可實(shí)現(xiàn)近理論強(qiáng)度（Nature 545, 80-83 （2017））。

基于此，研究人員設(shè)計(jì)出全新多級(jí)結(jié)構(gòu)鎂合金：首先使用表面機(jī)械研磨處理（SMAT）鎂合金表面得到梯度納米晶，再通過磁控濺射在合金表面沉積Mg基雙相金屬玻璃薄膜。這一設(shè)計(jì)理念結(jié)合雙相金屬玻璃與梯度納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，成功在合金強(qiáng)度提升31%的基礎(chǔ)上維持良好的拉伸塑性（20%）。合金的優(yōu)異塑性變形能力由雙相金屬玻璃的多重剪切帶變形及納米晶化，雙相金屬玻璃阻擋SMAT納米晶層裂紋延伸，以及SMAT納米晶層在變形時(shí)晶粒長大協(xié)同提供。

相關(guān)成果以“Nano-dual-phasemetallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograinedMagnesium alloy”為題發(fā)表在《AdvancedScience》（IF=15.84）。論文第一作者為劉暢博士（現(xiàn)德國馬普鋼鐵研究所博士后）。通訊作者為吳戈博士（現(xiàn)德國馬普鋼鐵研究所博士后）和呂堅(jiān)教授。其他作者還包括劉勇教授，王慶研究員，劉曉偉副研究員和鮑巖博士生。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001480

表面機(jī)械研磨處理（SMAT）通過在合金中引入梯度納米結(jié)構(gòu)可以有效提升合金強(qiáng)度。然而，之前研究表明SMAT鎂合金表面的納米晶層在塑性變形時(shí)發(fā)生脆性斷裂，嚴(yán)重降低合金變形能力。本研究通過磁控濺射沉積13 ?m 厚Mg-Zn-Ca雙相金屬玻璃（NDP-MG）在SMAT Mg合金表面，阻擋納米晶層裂紋延伸，啟動(dòng)納米晶層晶粒長大機(jī)制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高延伸率。

圖1. Mg-Zn-Ca雙相金屬玻璃（NDP-MG）的結(jié)構(gòu)與成分。a） 原子探針層析技術(shù)（APT）三維重構(gòu)圖，顯示螺旋柱狀結(jié)構(gòu)，其中Ca在界面處富集（由7at.%的Ca等濃度面顯示）。b） 從圖（a）中截取的5-nm厚俯視薄片圖，展示富Ca區(qū)形貌。c） 與圖（b）對(duì)應(yīng)2D Ca濃度分布圖。d） 俯視TEM界面圖，展示~5-nm 厚的富Ca區(qū)（亮區(qū)）位于貧Ca區(qū)（暗區(qū)）界面處。e） 使用7at.% Ca 等濃度面計(jì)算出的1D成分圖，定量的展示了富Ca非晶相與貧Ca非晶相的成分。

圖2.納米梯度SMAT鎂合金的結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能。a） 典型明場透射電鏡（TEM）照片展示納米晶層結(jié)構(gòu)。取樣位置：距離SMAT表面20 μm。插圖為TEM樣品的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣。SAED花樣上的圓環(huán)特征顯示納米晶具有較弱的晶體織構(gòu)。b） 高分辨透射電鏡（HRTEM）圖片顯示納米晶的晶格結(jié)構(gòu)，帶軸：[2 -1 -1 0]。插圖是圖（b）對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）圖。c）

圖3.雙相金屬玻璃+SMAT（NDP-MG coated SMAT-H′）鎂合金室溫力學(xué)性能。真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：黑色，未處理（base）鎂合金；深黃色，SMAT-L鎂合金；藍(lán)色，SMAT-H鎂合金；紅色， NDP-MG coated SMAT-H′鎂合金。插圖分別為SMAT-H以及NDP-MG coated SMAT-H′鎂合金在6%真實(shí)應(yīng)變下的橫截面SEM圖，展示NDP-MG成功阻擋裂紋延伸。

圖4. NDP-MG變形前（a）與拉伸6%形變后（b）SEM形貌，顯示NDP-MG界面處產(chǎn)生多剪切帶。（c）TEM橫截面觀察NDP-MG depositedSMAT-H‘合金在20%真實(shí)應(yīng)變后結(jié)構(gòu)演變。可以看到納米晶層出現(xiàn)晶粒長大并可以觀察到位錯(cuò)，雙相金屬玻璃NDP-MG出現(xiàn)初生剪切帶。（d）HRTEM觀察到NDP-MG在變形過程中發(fā)生納米晶化，插圖為相應(yīng)的SAED圖。