導(dǎo)讀：本文研究了由各向同性納米晶基體和各向異性納米孿晶束組成的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)Cu在載荷方向平行、法向和45°傾斜于攣晶界（TBs）的各向異性拉伸行為。與同質(zhì)納米孿晶（NT）對應(yīng)物中的各向異性增強(qiáng)作用不同，異質(zhì)結(jié)構(gòu)在平行拉伸下表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度，在正常拉伸下表現(xiàn)出中等的強(qiáng)度。納米孿晶束與納米顆粒基體之間存在取向相關(guān)的變形相容性，即平行取向下的相容變形，但在與TB垂直和45°傾斜的方向上均存在明顯的不兼容。取向相關(guān)的變形相容性歸因于納米晶粒基體中各向同性剪切帶與納米孿晶束中的各向異性變形之間的相互作用。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)（HS），包括納米孿晶結(jié)構(gòu)、雙相結(jié)構(gòu)、異構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)和諧波結(jié)構(gòu)等，由具有微觀結(jié)構(gòu)、長度尺度或化學(xué)組成巨大差異的組件構(gòu)成的。由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，在過去幾年中引起了廣泛的關(guān)注。高強(qiáng)度，大延展性和增強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力的結(jié)合和改進(jìn)的疲勞和斷裂阻力一般不會在常規(guī)的均質(zhì)材料中達(dá)到。通常，在異質(zhì)材料中改善的綜合機(jī)械性能被認(rèn)為是由于異質(zhì)形變引起的強(qiáng)化或應(yīng)變硬化與強(qiáng)烈機(jī)械差異的微結(jié)構(gòu)部件的相互約束密切相關(guān)。

當(dāng)將高密度的多個納米孿晶，即納米孿晶束（NTB）嵌入到納米晶（NG）基體中時，可以獲得高強(qiáng)度，同時保持相當(dāng)大的斷裂韌性，NTBs是NG基體的理想增強(qiáng)和增韌組分。原則上，納米攣晶可以有效地阻止位錯運(yùn)動。同時，它們保留了足夠的位錯積聚和儲存空間，并抵抗微孔成核和破裂。

盡管通過引入NTBs在增強(qiáng)各種金屬和合金方面取得了令人興奮的成功，但由于有限的可用樣品尺寸，有關(guān)TB取向?qū)ζ湓鰪?qiáng)效果的影響的研究仍然缺失。眾所周知，納米孿晶單元中長度尺度的異質(zhì)性導(dǎo)致塑性變形中的三種不同的位錯模式：位錯在TBs上的堆積和滑移轉(zhuǎn)移(硬模式I)， (ii)位錯在孿晶/基體板層通道中的螺紋滑移(硬模式ii)，以及(iii)平行于TBs的部分位錯運(yùn)動介導(dǎo)的TB遷移(軟模式，也稱為iii模式)。這三種位錯模式分別以垂直、平行和TBs呈45°傾斜的方式控制塑性變形，從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化方面都具有很強(qiáng)的各向異性。

除了各向異性強(qiáng)化外，還應(yīng)考慮取向相關(guān)的變形協(xié)調(diào)，因為不同加載方向的NTBs變形行為明顯不同，不可避免地存在不同的應(yīng)變分配，目前僅研究了載荷方向幾乎平行于TB的情況，在混合微觀結(jié)構(gòu)中與NTB相關(guān)的各向異性增強(qiáng)和變形相容性仍然難以捉摸。

在此，中科院金屬所盧磊研究員團(tuán)隊研究了由NTBs和NG基體組成的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)Cu的各向異性拉伸行為。在平行于TBs，垂直于TBs且相對于TBs傾斜45°的載荷方向上進(jìn)行拉伸測試，研究了異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)中局部應(yīng)變的演化和應(yīng)變分配。與同質(zhì)納米孿晶（NT）對應(yīng)物中的各向異性增強(qiáng)作用不同，異質(zhì)結(jié)構(gòu)在平行拉伸下表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度，在正常拉伸下表現(xiàn)出中等的強(qiáng)度。相關(guān)研究成果以題“Anisotropic strengthening of nanotwin bundles in heterogeneous nanostructured Cu: effect of deformation compatibility”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

盧磊的二哥就是中國最為著名的材料科學(xué)專家，中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院金屬研究所原所長，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，中國九三學(xué)社中央委員會副主席--盧柯。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116830

圖1 （a）拉伸試樣的示意圖及其在DPD圓盤中的方向。（b）投影在立方體上的SEM圖像分別顯示DPD盤的徑向（RD），切向（TD）和軸向（AD）的微觀結(jié)構(gòu)。（c）DPD Cu的典型橫截面微觀結(jié)構(gòu)，顯示出納米孿晶中的束的形式指示了與TB平行的方向（與下圖中的方向相同）。（d）詳細(xì)的TEM觀察顯示，在TB處累積了高位錯密度的NT和相應(yīng)的SAED模式。（e）細(xì)長納米顆粒的亮場和相應(yīng)區(qū)域的SAED圖案。（f）TB跡線相對于水平方向的統(tǒng)計角度分布。（g）雙層薄片的厚度分布，以及（h）橫向和縱向納米顆粒的尺寸分布。

圖2a顯示了在不同加載方向下DPD銅試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與它們的粗粒相比較，所有DPD Cu樣品均顯示出高強(qiáng)度，但有限的均勻延展性，如在嚴(yán)重變形的金屬中通常觀察到的。同時，DPD Cu的機(jī)械響應(yīng)與取向密切相關(guān)。樣品-P表現(xiàn)出最高強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度σYS為535±4MPa和極限拉伸強(qiáng)度σuts 580±5MPa; 而樣品-N顯示降低強(qiáng)度（σYS ?= 427±2MPa和σ UTS ?= 483±9MPa）和較低的斷裂伸長率F 約3.4％），與樣本P~4.5％）。樣品-I與傾斜45°的TB示出了最低強(qiáng)度（σ YS ?= 367±3兆帕和σ UTS ?= 468±6MPa），但流動應(yīng)力小產(chǎn)量峰值之后緩慢下降，這意味著以更高的電阻局部變形。

圖2 （a）拉伸方向不同的試樣的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和粗晶（CG）銅對應(yīng)物進(jìn)行比較。NT和NG區(qū)域中納米壓痕硬度（b）和彈性模量（c）的統(tǒng)計分布。

為了探索樣品在微觀水平上的變形行為，通過使用間斷拉伸試驗結(jié)合HR-DIC全場應(yīng)變分析來量化局部塑性應(yīng)變分布。樣品在施加應(yīng)變?yōu)?.0％，1.5％和2.0％時的局部應(yīng)變分布示于圖1和2中。顯然，塑性變形在微觀上相當(dāng)不均勻。尤其是樣本P的變形（圖3（a1-a3））集中在NT和NG區(qū)域的幾個波段中，兩個區(qū)域之間未發(fā)現(xiàn)任何應(yīng)變分配。應(yīng)變局部化帶在NG區(qū)域中與拉伸軸成?45°方向，而在NT區(qū)域中大致垂直于拉伸軸。提取的輪廓（圖3中的垂直虛線（a1-a3））表明，截面應(yīng)變分布隨施加的應(yīng)變的增加而增加（圖3（a4））。值得注意的是，在NT / NG界面上不存在應(yīng)變梯度曲線的峰值（由圖3（a5）中的黑色箭頭指示），這表明變形在雙相組織中是一致的。

圖3 樣品-P（a1-a3），樣品-N（b1-b3）和樣品-I（c1-c3）在施加應(yīng)變分別為1.0％，1.5％和2.0％時的局部應(yīng)變場。沿相應(yīng)應(yīng)變圖中描繪的輪廓（垂直點(diǎn)劃線）提取的截面應(yīng)變分布（a4-c4）和導(dǎo)出的應(yīng)變梯度（a5-c5），其中（a4-c4）中的點(diǎn)劃線為每個變形階段的平均應(yīng)變水平，虛線A，B表示NT / NG界面的位置，（a5-c5）中的黑色箭頭表示沿剖面的最大應(yīng)變梯度峰值。拉伸軸（TA）用雙箭頭表示，與下圖中的相同。

圖4 所施加的應(yīng)變?yōu)?.0％（a1，b1），1.5％（a2，b2）和2.0％（a3，b3）時，蝕刻后的樣品P的SEM圖像。與圖5和圖6相同，將納米級纏繞的區(qū)域表示為NT，而將納米顆粒化的區(qū)域表示為NG，并且用虛線標(biāo)記NT / NG界面。微剪切帶和NTB的相互作用在（b1-b3）中突出顯示，與（a1-a3）中所示的矩形區(qū)域相對應(yīng)。箭頭表示NG區(qū)域中的微剪切帶，而三角形表示NT區(qū)域中的滑動帶。

圖5 在施加的應(yīng)變?yōu)?.0％（a1，b1），1.5％（a2，b2）和2.0％（a3，b3）的應(yīng)變下，蝕刻后的樣品N的SEM圖像。微剪切帶（如白色箭頭所示）和NTB的相互作用在（b1-b3）中突出顯示，與（a1-a3）中指定的矩形區(qū)域相對應(yīng)。

圖6 所施加的應(yīng)變?yōu)?.0％（a1，b1），1.5％（a2，b2）和2.0％（a3，b3）時，蝕刻后的樣品I的SEM圖像。低倍放大圖像（a1-a3）顯示了微/宏觀剪切帶和NTB在平行于TBs方向上的相互作用。高倍率圖像（b1-b3）顯示了微剪切帶和NTB在垂直于TBs方向上的相互作用。箭頭指示宏觀和微觀剪切帶。

圖7示出了在不同加載方向下樣品的斷裂表面的觀察結(jié)果。樣品P和樣品I分別沿相對于拉伸軸傾斜?55°和?50°的斷裂面表現(xiàn)出相似的剪切破壞，如圖1和2所示。7（a1）和（c1）；而在樣品N中，斷裂面近似垂直于拉伸軸

圖7 斷裂拉伸樣品的平面以及樣品P（a1-a3），樣品N（b1-b3）和樣品I（c1-c3）的相應(yīng)宏觀/微觀斷裂表面觀察值。在（a1，b1，c1）中標(biāo)記了三個樣品的斷裂面相對于拉伸軸的角度。（a2，b2，c2）中的虛線表示頸縮斷裂面的輪廓，還顯示了面積的減小

圖8  SEM圖像顯示樣品P中的NTB滑移帶施加了1.0％的應(yīng)變：（a）NTB中的滑帶（由白色三角形表示）與NG矩陣中的剪切帶（由白色箭頭表示）連接；（b）滑帶的放大視圖，顯示“之字形”形態(tài)。

總之，通過拉伸試驗，以平行，垂直，與TBs成45°傾斜的加載方向，研究了各向同性NG基體與各向異性NTBs的塊狀異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)Cu組成的雜化結(jié)構(gòu)的取向效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)，納米孿晶在異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)化作用主要取決于納米孿晶的強(qiáng)度及其與周圍NG基質(zhì)的變形相容性。只有當(dāng)兩個組分中的共變形被激活時，納米孿晶才能發(fā)揮出明顯的增強(qiáng)作用（平行取向）。否則，加固效果無法完全發(fā)揮作用（法向）。與方向有關(guān)的變形相容性是由于納米孿晶的各向異性變形行為以及與NG矩陣中各向同性剪切帶的相互作用所致。