導(dǎo)讀：界面在層壓材料的機(jī)械行為中起著至關(guān)重要的作用。本研究采用直流電沉積法制備了一系列界面間距為200-33 μm的硬/軟納米孿晶銅層壓板。在拉伸試驗(yàn)中，在減小界面間距的同時(shí)提高了強(qiáng)度和加工硬化。在界面附近發(fā)現(xiàn)了額外的強(qiáng)化和幾何上必要的位錯(cuò)（GND），但沒有任何應(yīng)變集中。界面上出現(xiàn)明顯的應(yīng)變差異，并隨著界面間距的減小而減小。最重要的是，無論界面間距如何，界面附近出現(xiàn)的最高塑性應(yīng)變梯度表明界面之間的變形兼容性顯著。界面介導(dǎo)的空間分布強(qiáng)化有助于通過減小界面間距來提高強(qiáng)度并減小應(yīng)變差異。

作為典型的非均相納米結(jié)構(gòu)（HNS）材料，具有分隔相鄰組分的界面的層壓金屬因其更高的強(qiáng)度、加工硬化性、延展性、韌性及其組合而越來越受到關(guān)注。例如，在拉伸試驗(yàn)中，具有粗晶Cu層和納米晶粒CuZn層的Cu/CuZn層壓板同時(shí)提高了強(qiáng)度和延展性，界面間距從125μm減小到15μm。通過純鈦和鋁板的熱軋和退火制造的層狀金屬復(fù)合材料（LMC）表現(xiàn)出高拉伸延展性，優(yōu)于任何單獨(dú)的鈦或鋁板。通過不對(duì)稱軋制和隨后的部分重結(jié)晶制備的非均質(zhì)層疊Ti既具有超細(xì)晶粒組分的強(qiáng)度，又具有粗粒組分的延展性。

為了解釋層狀復(fù)合材料的高強(qiáng)度和延展性，提出了幾種變形機(jī)制，例如界面約束，增強(qiáng)應(yīng)變硬化，背應(yīng)力強(qiáng)化等。界面和界面介導(dǎo)的變形被認(rèn)為在層狀構(gòu)件變形過程中傳遞載荷和應(yīng)力重新分配中起著至關(guān)重要的作用。源于層疊Cu/CuZn中相鄰硬層和軟層之間的相互約束，位錯(cuò)在粗粒（軟）層內(nèi)的界面附近成核，其中一些移動(dòng)到界面。結(jié)果，界面處發(fā)生強(qiáng)烈的位錯(cuò)堆積和嚴(yán)重的應(yīng)變集中，形成界面影響區(qū)（IAZ），這有助于提高層壓Cu/CuZn的強(qiáng)度。

對(duì)于相鄰層間彈性模量和變形機(jī)理不同的LMC Ti/Al，各層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，發(fā)生應(yīng)力分配，激活脆性Ti層的塑性變形。此外，由于相鄰層之間較強(qiáng)的相互約束，Al層可以緩解應(yīng)變定位并限制微裂紋的發(fā)展。因此，LMC Ti/Al可以表現(xiàn)出優(yōu)異的延展性。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，根據(jù)應(yīng)變梯度塑性理論，軟硬構(gòu)件之間的不均勻變形有助于層壓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化和應(yīng)變硬化。在層壓結(jié)構(gòu)變形過程中，軟構(gòu)件首先由于屈服強(qiáng)度較低而產(chǎn)生塑性變形，而硬構(gòu)件屈服后。因此，軟部件和硬部件之間會(huì)出現(xiàn)塑性應(yīng)變差異或應(yīng)變梯度。幾何上必要的位錯(cuò)（GND）必須根據(jù)需要產(chǎn)生以適應(yīng)應(yīng)變梯度，并通過產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)硬化（背應(yīng)力）或/和各向同性硬化（有效應(yīng)力）來幫助強(qiáng)化和加工硬化。同樣，與應(yīng)變梯度和GNDs相關(guān)的不均勻塑性變形具有優(yōu)異的機(jī)械性能，已在具有梯度，雙峰或諧波]結(jié)構(gòu)的其他HNS材料中得到了普遍驗(yàn)證。

均相納米孿晶（HNT）結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是設(shè)計(jì)非均相微觀結(jié)構(gòu)所需的原型結(jié)構(gòu)，例如梯度和層壓，以闡明其基本變形機(jī)制。HNT組件的優(yōu)點(diǎn)之一是可控的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸，孿生厚度和孿晶取向。例如，具有柱狀晶粒和平行于生長(zhǎng)表面的高度取向納米級(jí)孿晶的HNT Cu表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性塑性變形，其中主要變形機(jī)制可以通過改變相對(duì)于孿生平面的加載方向在孿生體之間位錯(cuò)滑行、跨孿生邊界的位錯(cuò)轉(zhuǎn)移和位錯(cuò)介導(dǎo)的邊界遷移3種位錯(cuò)模式之間有效切換。

在這項(xiàng)研究中，中科院金屬所盧磊研究團(tuán)隊(duì)專注于研究只有硬（A）和軟（D）兩個(gè)組分但界面間距不同的LNT結(jié)構(gòu)，以揭示拉伸試驗(yàn)下固有的不相容塑性變形和由此產(chǎn)生的界面強(qiáng)化。為弄清楚LNT Cu的塑性變形規(guī)律，采用全場(chǎng)應(yīng)變技術(shù)定量研究了軟硬構(gòu)件之間的應(yīng)變差異、界面間應(yīng)變梯度分布及其隨LNT Cu拉伸應(yīng)變?cè)龃蠖莼?guī)律。相應(yīng)地，將電子背散射衍射（EBSD）與雙光束衍射技術(shù)相結(jié)合，對(duì)LNT Cu的變形微觀結(jié)構(gòu)，特別是GNDs的分布和構(gòu)型進(jìn)行了表征。對(duì)LNT Cu和HNT構(gòu)件的背應(yīng)力和有效應(yīng)力進(jìn)行了應(yīng)力分配分析，以明確額外強(qiáng)化的來源。最后，討論了LNT Cu界面介導(dǎo)的變形強(qiáng)化機(jī)理。

相關(guān)研究成果以題“Interface strain gradient enabled high strength and hardening in laminated nanotwinned Cu”發(fā)表在國(guó)際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542300469X               

通過使用4個(gè)晶粒尺寸和孿生厚度增加的HNT結(jié)構(gòu)作為不同的單個(gè)組分（A），（B），（C）和（D）），我們構(gòu)建了一系列梯度納米孿晶（GNT）Cu，用于解開結(jié)構(gòu)梯度誘導(dǎo)的強(qiáng)化，硬化和獨(dú)特的變形機(jī)理。結(jié)果表明，與獨(dú)立的HNT組件相比，GNT Cu不僅表現(xiàn)出明顯的額外強(qiáng)化和加工硬化，而且還表現(xiàn)出新的集中位錯(cuò)（BCDs）介導(dǎo)的變形機(jī)制束。這些 BCD 由 GND 的積累形成，GND 適應(yīng) 4 個(gè)組分的應(yīng)變梯度。同時(shí)，BCD或GND產(chǎn)生強(qiáng)背應(yīng)力而不是有效應(yīng)力，這是GNT Cu額外增強(qiáng)的起源。

此外，我們僅使用兩種HNT組分，即硬（A）和軟（D），設(shè)計(jì)了三種類型的代表性HNS材料，其GTLs（fg）的體積分?jǐn)?shù)不同，分別為10%（層壓），50%（半梯度）和100%（全梯度），而混合物強(qiáng)度規(guī)則和整體結(jié)構(gòu)梯度都是恒定的，以定量揭示fg對(duì)額外強(qiáng)化行為的影響。隨著fg增加到100%，GNT Cu樣品的屈服強(qiáng)度可以提高，而不會(huì)損失均勻伸長(zhǎng)率。強(qiáng)化機(jī)理源于分布較寬的應(yīng)變梯度和由此產(chǎn)生的廣泛分布的GND。然而，層壓納米孿晶（LNT）Cu的基本強(qiáng)化機(jī)理，包括與塑性應(yīng)變梯度和應(yīng)變差異相關(guān)的界面間距仍然未知。

圖1.由硬（A）和軟（D）組分組成的LNT-200（a1-a3）、LNT-100（b1-b3）、LNT-50（c1-c3）和LNT-33（d1-d3）的示意圖、橫截面SEM圖像和硬度分布，界面間距分別為200、100、50和33 μm。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本)

圖2.LNT Cu的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a）和加工硬化速率Θ-真實(shí)應(yīng)變曲線（b）與HNT-（A）和HNT-（D）的比較。（b）中的插圖顯示了在真實(shí)應(yīng)變ε = 1%和3%的LNT Cu（具有各種界面間距l）下的加工硬化率。虛線表示混合法則 （ROM） 加工硬化率，ε = 1% 和 3%，如圖所示。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。

圖3.LNT Cu的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a）和加工硬化速率Θ-真實(shí)應(yīng)變曲線（b）與HNT-（A）和HNT-（D）的比較。（b）中的插圖顯示了在真實(shí)應(yīng)變ε = 1%和3%的LNT Cu（具有各種界面間距l）下的加工硬化率。虛線表示混合法則 （ROM） 加工硬化率，ε = 1% 和 3%，如圖所示。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。

圖4.LNT銅梯度側(cè)向應(yīng)變的表征。 （a）通過CLSM測(cè)量的側(cè)表面（x-z平面）的高度剖面圖示，其中表示了x，y和z軸。LNT-200 側(cè)面測(cè)量的高度輪廓在 ε = 0 （b1） 和 ε = 3% （b2） 時(shí)變形。（b3）ε = 0 和 3% 時(shí)的平均高度剖面分別從 （b1） 和 （b2） 獲得。相對(duì)側(cè)向應(yīng)變的分布（b4）和LNT-200的橫向應(yīng)變梯度（b5）。（c1-c5）、（d1-d5）和（e1-e5）與（b1-b5）相同，但LNT-100、LNT-50和LNT-33除外。組件（A）和（D）之間的側(cè)向應(yīng)變差變化（f） 和側(cè)向應(yīng)變梯度在界面 （g） 與界面間距 l. （有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。

圖5.LNT Cu中軟（D）和硬（A）組分的硬化與相應(yīng)的HNT Cu樣品的比較。HNT-（A） （a1）、LNT-200 （b1） 和 HNT-（D） （c1） 在拉伸應(yīng)變 ε = 0、1%、3% 和 5% 時(shí)的硬度分布。（a2-c2） 與 （a1-c1） 相同，只是硬化 ΔH 定義為變形后相對(duì)于變形前的硬度增量。（b1 和 b2）中零的位置表示接口的位置。（a2-c2）中的水平虛線表示HNT-（A）和HNT-（D）在不同應(yīng)用應(yīng)變下的平均硬化。（b2）中的陰影表示LNT-200相對(duì)于HNT Cu的額外硬化。 （有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。

圖6.EBSD方向映射（a1，b1，c1），相應(yīng)的位錯(cuò)密度映射（a2，b2，c2）和LNT-50界面上的平均位錯(cuò)密度變化（d）在ε = 0，1%，5%。（d） 中的虛線表示接口的位置。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。

圖8.LNT-50中界面附近和遠(yuǎn)離界面的位錯(cuò)形態(tài)在ε = 3%。（a） 整個(gè)界面的低放大倍率TEM圖像。（a）中的白色矩形區(qū)域1和2分別放大為（b，c，d）和（e，f，g）。（c，f）和（d，g）使用雙光束衍射成像，矢量分別為gM = gT = 111和gM = 200。（a） 中的黑色虛線勾勒出組件 （A） 和 （D） 之間的界面。 模式I和模式II位錯(cuò)分別用綠色和橙色箭頭表示。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。

LNT Cu在小應(yīng)變下的屈服強(qiáng)度和加工硬化均高于ROM預(yù)測(cè)的屈服強(qiáng)度和加工硬化，并隨著界面間距的減小而增大，表現(xiàn)出優(yōu)于無納米孿晶的傳統(tǒng)層疊材料的額外強(qiáng)度。在LNT Cu中檢測(cè)到寬度達(dá)100μm的更分散的IAZ，其中應(yīng)變梯度（或GND密度）在界面處達(dá)到最大值，并在遠(yuǎn)離界面的地方逐漸減小，而不是僅在傳統(tǒng)層壓材料中的界面附近集中。當(dāng)界面間距減小時(shí)，界面處恒定的應(yīng)變梯度可改善整體額外強(qiáng)度，并減小LNT Cu組分之間的應(yīng)力/應(yīng)變差異。這種界面協(xié)調(diào)的梯度變形機(jī)制在相鄰的納米孿晶組件之間揭示了一種定制具有優(yōu)異機(jī)械性能的層壓材料的新機(jī)制。