重磅！中科院金屬所再發Science！金屬材料強化領域重大發現！
2023-09-15 15:08:58
作者： 材料學網 來源： 材料學網
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盧磊。她不僅是中科院金屬研究所的知名研究員，還擔任博士生導師，指導后輩科研工作者。而且，她還獲得了中科院人才計劃、國家杰出青年科學基金、國家級人才計劃等多項榮譽。她的成就得到了國家級別的認可。 盧磊的研究成果和才能不僅僅局限在學術領域。她還是科技部“納米科技”重點專項總體專家組成員，這一身份體現了她在納米科技領域的重要地位。 盧磊的才華和貢獻得到了遼寧省的認可，她被授予“興遼計劃”創新領軍人才這一榮譽，這充分體現了她在遼寧省科技創新中的重要地位。作為全球納米材料和材料強度領域的領軍人物之一，盧磊現擔任國際委員會委員，并在Acta Materialia和Scripta Materialia等知名期刊擔任編輯。她的主要研究方向集中在納米結構金屬材料的制備、力學性能以及變形機理方面，具有極高的學術價值。至今，她已經發表了110余篇SCI論文，其中包括4篇Science和2篇Nature，這些文章被引用次數已經超過了15000次，彰顯了她在該領域的國際影響力。此外，她還擁有15項國內發明專利和6項國際發明專利，為推動科學技術發展做出了重要貢獻。 在過去的幾年里，她在國際學術會議上多次發表了大會、主題和邀請報告，總計達70余次，展示了她在學術界的地位和卓越的學術能力。這些成果和榮譽是對她辛勤工作和卓越成就的充分肯定，也是對她在納米材料和材料強度領域的卓越貢獻的認可。盧磊研究員的團隊致力于研究塊體納米結構金屬材料，從樣品制備到微觀結構表征，再到結構穩定性和綜合力學性能，最后到理化性能的評估。他們的目標不僅僅是理解這些材料的性能，更是通過深入探究它們的結構與性能之間的關系，來揭示納米結構金屬材料背后的強韌化原理和極致性能的根源。"令人驚嘆的是，盧磊研究員的二哥竟然是著名的盧柯院士，這兩位學霸兄弟在《Nature》和《Science》上嶄露頭角！而今天，盧磊教授的最新研究成果更是榮登《Science》雜志。那么，接下來就讓我們一起深入了解這篇重磅論文，共同感受其中的奧秘與魅力吧！"應變硬化，也被稱作加工硬化，可以追溯到古老的青銅時代，它也是最早被廣泛應用在金屬材料強化策略中的方法。這個傳統方法主要是通過增加典型線性缺陷（也就是位錯）的數量以及它們在晶格中的相互影響來實現的。隨著位錯數量的增加，位錯流動性逐漸降低，從而需要施加更大的應力才能使其發生額外的變形。 一般來說，像軟質粗粒（CG）金屬這種應變硬化程度最高的材料，往往也具有最好的拉伸延展性。這主要是因為位錯在這些材料中有豐富的空間，并且可以自由移動和存儲，因此它們能夠產生最大的自由移動和存儲路徑。 在結晶固體中，位錯與位錯之間的相互作用會產生局部位錯纏結的現象。這種纏結最終會形成三維網絡的位錯圖案，導致進一步的變形變得非常困難。這些成果將有助于推動相關領域的研究，并且可以為新的材料和加工技術的發展提供基礎支撐。在此，中科院金屬所盧磊教授團隊的實驗報告為我們揭示了一個奇妙的現象：在77開爾文條件下，一種具有梯度位錯單元的穩定單相合金在整個變形階段的應變硬化率竟然超過了粗晶粒材料。這一發現顛覆了我們的傳統認知，因為這種特殊的應變硬化竟然源于一種獨特的動態結構細化機制。 這種機制相當獨特，它是由大量多方向微小堆積斷層的發射和運動所促成的，與傳統的線性位錯介導變形有著天壤之別。更令人驚訝的是，原子尺度的平面形變斷層在塑性變形中占主導地位，這為金屬材料的強化和硬化提供了一種全新的方法。這一重大發現具有深遠的影響，它不僅為我們提供了一種全新的金屬材料強化和硬化方法，還預示著梯度細胞結構合金在潛在應用方面可能具有出色的性能。相關成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”為題發表在《Science》上，第一作者為潘慶松研究員。"CG Al0.1CoCrFeNi MPE合金樣品在初始狀態下，其晶粒結構呈隨機取向，平均尺寸約為46微米。然而，通過常溫下的循環扭轉（CT）處理，試樣的微觀結構發生了顯著變化，形成了試樣級分層GDS結構。這種結構在量規截面上呈現出明顯的不同，初始的隨機取向晶粒結構保持不變，從GDS樣品的表面到核心都呈現出均勻分布的特點。 特別值得注意的是，在晶粒內部引入了大量的低角度邊界，這些邊界在空間上呈隨機分布狀態。從樣品的頂部開始，隨著深度的增加，低角度邊界的密度逐漸降低。這種低角度邊界的存在，可能是由于在處理過程中，試樣經歷了循環扭轉的作用力，導致晶粒之間的相對位置發生了變化。 通過透射電子顯微鏡觀察發現，在最頂部的晶粒中形成了豐富的等軸差排位錯胞，這些錯胞的平均錯向約為2度。此外，作者還測量到位錯胞的直徑在頂面約為200納米，而到了0.45毫米深處逐漸增加到約350納米。這種變化可能是由于在循環扭轉處理過程中，試樣內部的應力和應變導致了晶粒之間的相對位置變化，進而形成了不同尺寸的等軸差排位錯胞。"在準靜態單軸拉伸試驗中，圖2A的工程應力應變曲線和圖2B的真實應力應變曲線均顯示，當溫度從293 K降低到77 K時，GDS樣品的強度和延展性出現了顯著的提升。令人驚訝的是，在77 K時，塊狀GDS樣品的真實屈服強度約為0.7 GPa，真實極限抗拉強度超過1.8 GPa，這比CG樣品的表現好了許多。此外，圖2B還發現，在77 K時，GDS合金的應變硬化系數(約為0.48)相對CG樣品（0.55）略有下降。 對拉伸結果的詳細分析發現，在293 K和77 K的條件下，當應變超過1%時，CG的應變硬化率呈現出單調下降的趨勢（圖2C）。顯然，在293 K時，GDS和表面GDS樣品的應變硬化率均低于CG樣品，這是由于預先存在的位錯較多所導致的。相比之下，讓人驚訝的是，在塑性變形的全過程中，77 K的GDS中觀察到了高得多的應變硬化率。此外，與CG和GDS試樣相比，表面GDS的應變硬化率進一步升高：從3%應變時的4.2 GPa逐漸下降到2.4 GPa（圖2C）。"GDS樣本的應變硬化率和延展性如此出色，這在傳統高強度金屬和以位錯為主的MPE合金中極為罕見，這表明梯度位錯結構在77K應變時存在著固有的、非同尋常的應變硬化機制。"圖 2. GDS 合金在 77 K 時的應變硬化和強度-延展性組合為了揭開GDS在低溫條件下異常應變硬化的神秘面紗，作者在77K的低溫下對GDS進行了兩個階段的拉伸試驗。首先是在應變初期（3%；圖3，A至C），然后是在塑性變形后期（40%；圖3，D至G）。這樣的實驗設計，能夠讓我們深入了解GDS頂面的微觀結構在不同階段的響應。 令人驚奇的是，在晶粒內部，我們發現了大量不同取向的片束相互交錯的現象。這些片束與晶粒的取向無關，這是在常溫（293 K）下拉伸變形的GDS表面很少觀察到的。這些交錯的薄片，實際上是多個SF束和孿晶邊界（TB）片段，這些片段在（111）滑移面上滑動。這些薄片的平均長度為22nm（圖3C）。更引人注意的是，相鄰SF或TB之間的厚度統計平均值僅為2.8nm，這與薄片束中的高缺陷密度相對應。 當拉伸應變達到40%時，相互交叉的平面界面明顯增大，這進一步將微小的最頂層表面晶粒細分為納米級的鑲嵌體。此時，晶粒內部的馬賽克狀亞結構（圖3F）變得更加豐富，平均尺寸約為50納米。在這個階段，最初的等軸位錯單元/壁已經消失，取而代之的是晶粒內部的這種豐富亞結構。 總的來說，這項研究揭示了GDS在低溫條件下異常應變硬化的微觀機制，并為理解這種具有重要應用價值的材料在低溫環境中的力學行為提供了深入的見解。圖 3. GDS 表面層在 77 K 拉伸過程中的微觀結構演變圖 4. GDS 和 CG 合金在 77 K 拉伸后 SF 概率和位錯密度的演變實驗結果顯示，在低溫環境下，具有梯度位錯構造的單 fcc 相 MPE 合金會通過形成精巧的 SFed 鑲嵌來觸發一種與眾不同的應變硬化機制，使其具備前所未有的高應變硬化能力，甚至超過了 CG 合金。這種在低溫條件下由 SFed-馬賽克誘導的動力應變硬化機制與之前 SF 誘導塑性的研究結果以及 GDS 合金在室溫條件下的杰出強度和延展性相互照應。很顯然，與線性位錯比較，晶體中潛在的主導原子尺度平面變形斷裂活動不僅是晶體塑性的另一種基本媒介，還能誘發強應變硬化。梯度位錯構造和納米級 SFs 馬賽克的特性對于理解物理冶金學的基本應變硬化機制具備重大意義，并為開發高強度和高韌性材料提供了一種不同的范例，其應用領域相當廣泛，包括深空和海洋探測、液化天然氣儲存以及低溫物理等低溫應用領域。
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