金屬有兩個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)，即強(qiáng)度和均勻拉伸伸長(zhǎng)率（簡(jiǎn)稱塑性）。高強(qiáng)度可使金屬在發(fā)生塑性變形之前承擔(dān)大的載荷，而大塑性則可使其在破壞之前進(jìn)行較大的塑性變形，避免發(fā)生突然的破壞。材料的強(qiáng)度和塑性取決于內(nèi)部晶粒尺寸的大小，傳統(tǒng)的粗晶具有很大的塑性，隨晶粒尺寸減小到納米尺寸時(shí)，強(qiáng)度顯著提高，卻幾乎喪失了全部的塑性。人們面臨的極大挑戰(zhàn)是怎樣同時(shí)獲得這兩個(gè)極端的性能，即納米晶金屬的高強(qiáng)度與粗晶的大塑性，這在高強(qiáng)度端尤其難以實(shí)現(xiàn)。
 

金屬鈦
 

    最近，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所納米金屬力學(xué)行為課題組與美國(guó)北卡州立大學(xué)的科研人員合作，在金屬鈦中研制出一種新的微觀結(jié)構(gòu)，不僅具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度，同時(shí)具有傳統(tǒng)粗晶的大塑性。他們利用異步軋制技術(shù)和退火，把常規(guī)金屬鈦?zhàn)冃纬蔀橐环N“軟-硬”復(fù)合的層片狀微結(jié)構(gòu)，其中高強(qiáng)度的超細(xì)晶“硬”層片為基體，彌散分布著體積分?jǐn)?shù)約為25%、大塑性的再結(jié)晶晶粒的“軟”層片。

    “軟-硬”層片微結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是很大的加工硬化能力，甚至超過了粗晶結(jié)構(gòu)，這是以前從未觀察到的。通過拉伸卸載/再加載實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)“軟-硬”層片表現(xiàn)出顯著的包申格效應(yīng)。他們指出這是由于背應(yīng)力硬化效應(yīng)所導(dǎo)致的，并提出了背應(yīng)力形成機(jī)理，即“軟-硬”層片在拉伸變形時(shí)塑性變形不協(xié)調(diào)，大量的塑性變形由“軟”層片來承擔(dān)。這種應(yīng)變?cè)俜峙湓?ldquo;軟-硬”層的界面形成了幾何必需位錯(cuò)和位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生了背應(yīng)力硬化。相比之下，均質(zhì)微結(jié)構(gòu)中只存在林位錯(cuò)硬化，而觀察不到背應(yīng)力硬化。

    更特別的是，雖然“軟”層片的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了25%，總的強(qiáng)度仍可達(dá)到超細(xì)晶的強(qiáng)度，這一違背教科書常識(shí)的結(jié)果來源于背應(yīng)力強(qiáng)化。當(dāng)外應(yīng)力達(dá)到“軟”層片屈服強(qiáng)度的時(shí)候，它們?cè)噲D開始塑性變形。但是它們被“硬”層片完全包圍而無法變形，導(dǎo)致幾何必需位錯(cuò)塞積在“軟-硬”層片界面，形成很大背應(yīng)力強(qiáng)化，直到“硬”層片開始屈服。換句話說，“軟”層片在背應(yīng)力作用下變得與“硬”層片幾乎一樣強(qiáng)。

    他們的工作提出了一種可同時(shí)獲得超細(xì)晶的高強(qiáng)度和粗晶塑性的新思路，這樣的力學(xué)性能完美結(jié)合是以前從未實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，這種思路具有很大的可能性來適用于其它的金屬材料。更由于“軟-硬”層片微結(jié)構(gòu)是通過工業(yè)上最普遍的冷軋成型技術(shù)得到的，所以很容易在工業(yè)上得到規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。

責(zé)任編輯：班英飛

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