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一種新強(qiáng)韌化策略：1.2GPa屈服強(qiáng)度，25%塑性！

2018-07-02 12:02:59 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)材料，人們總是希望其不僅強(qiáng)度高，同時(shí)還具有大的拉伸塑性。然而強(qiáng)度與塑性卻是一對(duì)本征的矛盾，人們可以容易地通過塑性變形將晶粒細(xì)化到納米尺寸，把傳統(tǒng)粗晶的強(qiáng)度提高5-15倍，代價(jià)卻是喪失了幾乎全部的均勻塑性。材料的塑性取決于微結(jié)構(gòu)相關(guān)的加工硬化能力，高強(qiáng)度納米金屬中傳統(tǒng)的位錯(cuò)塑性與硬化效應(yīng)非常微弱；即使在低層錯(cuò)能材料中，晶粒尺度效應(yīng)也會(huì)強(qiáng)烈抑制孿生變形和相變誘導(dǎo)的加工硬化效應(yīng)。因而，人們面臨的極大挑戰(zhàn)是怎樣在高強(qiáng)度納米金屬中獲得加工硬化能力。

近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的武曉雷研究團(tuán)隊(duì)提出一種多級(jí)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的策略，應(yīng)用在低層錯(cuò)能的等原子比CrCoNi中熵合金中，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與拉伸塑性的優(yōu)異匹配。研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS，2018）上。

文章鏈接：

http://www.pnas.org/content/early/2018/06/25/1807817115

研究團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)單的工業(yè)化冷軋與再結(jié)晶退火，巧妙地構(gòu)筑了一種多級(jí)晶粒尺度的納米結(jié)構(gòu)，即晶粒尺寸非均勻的異構(gòu) （heterogeneous grain structure），包含微米、亞微米和納米等三個(gè)尺度的晶粒。他們發(fā)現(xiàn)多級(jí)結(jié)構(gòu)在塑性變形時(shí)，發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變?cè)俜峙洌貏e是亞微米晶粒由于承擔(dān)了較大的應(yīng)力，可誘導(dǎo)變形孿生，在晶界不斷形成納米孿晶，并在拉伸變形過程中演化為納米晶粒。

多級(jí)結(jié)構(gòu)最顯著的拉伸變形特點(diǎn)是其本身由于納米晶粒的形成而不斷增強(qiáng)，發(fā)生動(dòng)態(tài)的晶粒細(xì)化，類似于TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)而證實(shí)，大量原位形成的納米晶粒誘導(dǎo)了迄今為止最為顯著的背應(yīng)力硬化效應(yīng) （back stress hardening），提高了加工硬化能力，因而在1.2GPa的高屈服強(qiáng)度下獲得了25%的拉伸均勻塑性。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，與均質(zhì)的低層錯(cuò)能或高層錯(cuò)能納米結(jié)構(gòu)相比，多級(jí)結(jié)構(gòu)在同等強(qiáng)度下可以獲得更大的加工硬化能力和拉伸塑性。

他們的研究成果揭示了多級(jí)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌化機(jī)理，提出了針對(duì)低層錯(cuò)能金屬材料如不銹鋼和中高熵合金等的一條強(qiáng)韌化新途徑。這項(xiàng)研究工作的合作者為美國約翰霍普金斯大學(xué)材料系教授馬恩。研究工作得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。