金屬在承載應(yīng)用的幾乎每個(gè)方面都一直發(fā)揮著不可替代的作用。因此，追求高強(qiáng)度和延展性一直是結(jié)構(gòu)材料界關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，這兩個(gè)屬性通常是相互排斥的。通過(guò)引入各種缺陷(如位錯(cuò)和晶界)來(lái)提高強(qiáng)度，不可避免地會(huì)導(dǎo)致延性降低，從而產(chǎn)生所謂的強(qiáng)度-延性權(quán)衡。例如，通過(guò)劇烈塑性變形制備的均勻超細(xì)晶(UFG)無(wú)間隙鋼(IF)，當(dāng)晶粒尺寸d小于1 μm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa以上，但其均勻伸長(zhǎng)率卻大大降低至2%以下。納米晶(NC,d<100nm)和UFG金屬的低延性值主要是由于其高強(qiáng)度和不充分的應(yīng)變硬化能力導(dǎo)致的早期塑性不穩(wěn)定。因此，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的同時(shí)保持可觀的延展性(即在單軸拉伸測(cè)試下的均勻伸長(zhǎng)率)是批量NC/UFG金屬的主要挑戰(zhàn)。非均質(zhì)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已被證明是打破納米結(jié)構(gòu)金屬?gòu)?qiáng)度-延性困境的有效策略。然而，精確控制非均質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-延性協(xié)同仍然具有挑戰(zhàn)性。

來(lái)自北京航空航天大學(xué)和清華大學(xué)的學(xué)者提出了一種新的粉末冶金方法，用于創(chuàng)建具有高度可調(diào)殼厚度和晶粒尺寸分布的三維(3D)核殼納米結(jié)構(gòu)。這些3D納米結(jié)構(gòu)在純銅中實(shí)現(xiàn)了卓越的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用，將Ashby的邊界推向了未知的領(lǐng)域。顯微結(jié)構(gòu)表征、原子模擬和晶體塑性建模的結(jié)合表明，在塑性變形過(guò)程中，核殼界面附近幾何必要位錯(cuò)的產(chǎn)生和積累在適應(yīng)應(yīng)變梯度和維持高應(yīng)變硬化率方面起著關(guān)鍵作用。本研究的工作為設(shè)計(jì)具有三維非均質(zhì)成分的大塊納米結(jié)構(gòu)材料提供了一種可行的方法，并為開發(fā)強(qiáng)韌性材料展示了一條有希望的途徑。相關(guān)文章以“Superior strength–ductility synergy in three-dimensional heterogeneous-nanostructured metals”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119143

圖1.機(jī)械磨粉后的微觀結(jié)構(gòu)。(a-d)粉末截面組織隨磨礦時(shí)間的變化。(e) MM100h粉末的放大SEM橫截面圖。(f) MM100h粉末上表面~2 μm處的TEM觀察。

圖2.不同碾磨時(shí)間制備的銅體樣品的諧波結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)。(a-d) EBSD取向圖(疊加晶界圖，其中取向偏差大于15?的高角度晶界用黑線標(biāo)注)。(e-h) HS-1、HS-2、HS-3和HS-4殼區(qū)的放大EBSD取向圖，顯示平均晶粒尺寸分別為1.10μm、0.77μm、0.60μm和0.43μm的梯度UFG微結(jié)構(gòu)。

圖3.HS-3散裝樣品的TEM亮場(chǎng)圖像。(a)核/殼鄰近區(qū)域，(b)核區(qū)，(c)殼區(qū)。(c)中所示為殼區(qū)相應(yīng)的選定區(qū)域電子衍射圖。

圖4.(a)平均晶粒尺寸和殼分?jǐn)?shù)隨磨礦時(shí)間的變化。(b)利用電子后向散射衍射(EBSD)逆極像圖重建HS-4的三維立體結(jié)構(gòu)。

圖5.具有不同顯微組織的純銅的力學(xué)性能。(a, b) HS樣品和均勻結(jié)構(gòu)(homostructured)樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c, d) HS試樣和同結(jié)構(gòu)試樣的應(yīng)變硬化率-真應(yīng)變曲線。(e) HS(紅色符號(hào))和同結(jié)構(gòu)(藍(lán)色符號(hào))樣品在選定真應(yīng)變下的應(yīng)變硬化率比較。(f)不同組織純Cu試樣的極限抗拉強(qiáng)度與均勻伸長(zhǎng)率的Ashby圖。

圖6.(a)拉伸應(yīng)變?yōu)?.8%時(shí)HS-2試樣的EBSD取向圖。(b) Micro-DIC技術(shù)分析的相應(yīng)應(yīng)變分布圖。(c)不同拉伸應(yīng)變下核殼界面von Mises應(yīng)變的演化。

圖7.原位EBSD觀測(cè)揭示了HS-2試樣的變形機(jī)理。同一區(qū)域在不同拉伸應(yīng)變下的IQ圖(a1-a5)和相應(yīng)的KAM圖(b1-b5)(c) HS-Cu和Homo-Cu在塑性變形早期的GND密度增加。(d) 8%塑性應(yīng)變時(shí)HS-2不同區(qū)域GND密度變化(圖7b5中黃色矩形標(biāo)記)。(d)中插入的是(b5)中矩形區(qū)域的放大IPF圖像。

圖8.不同拉伸應(yīng)變下HS-3試樣的典型透射電鏡圖像。(a)在拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，在核殼界面附近的CGs內(nèi)觀察到位錯(cuò)纏結(jié)。(b)拉伸應(yīng)變?yōu)?9%時(shí)，在UFGs中觀察到變形誘導(dǎo)的納米孿晶(NTs)。(c) (b)中黃色框框區(qū)域的TEM放大圖像。(c)中插入的是相應(yīng)的SAED模式。

圖9.拉伸試驗(yàn)前HS-3 (a1, a2)和拉伸試驗(yàn)后HS-3 (b1, b2)的納米壓痕定位試驗(yàn)。(c)拉伸試驗(yàn)后芯、殼硬度變化直方圖。

圖10.諧波結(jié)構(gòu)銅的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果。(a) fshell = 66.7%時(shí)模擬諧波樣品的原子構(gòu)型。(b)諧波試樣和均勻試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)屈服應(yīng)力與殼的關(guān)系。紅色虛線表示基于兩個(gè)均勻樣本(即fshell = 0%和fshell = 100%的樣本)的線性混合規(guī)則預(yù)測(cè)。(d) 0.15應(yīng)變下fshell = 66.7%的變形諧波樣品的原子結(jié)構(gòu)。(e) 0.15施加應(yīng)變時(shí)，fshell = 66.7%的變形諧波試樣的Mises應(yīng)變空間分布。(f)計(jì)算出(e)中黃色矩形區(qū)域的IAZ寬度。

圖11.(a) Homo-Cu和(b) HS-Cu試樣工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的CPFE模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比(c)拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，殼體積分?jǐn)?shù)為41.8%的模擬HS-Cu縱斷面GND密度分布圖。高密度GNDs主要聚集在核殼界面附近，這與圖7d的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致。(d) CPFE模擬拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，fshell= 41.8%的HS-Cu中GND密度的全三維分布。

綜上所述，本研究開發(fā)了一種有效的方法，通過(guò)精確控制機(jī)械銑削和隨后燒結(jié)的加工，在純銅中實(shí)現(xiàn)三維核-殼非均質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)。結(jié)果表明，HS-Cu具有比常規(guī)均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和其他非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料更好的強(qiáng)度-延性協(xié)同效應(yīng)，其主要原因是通過(guò)三維非均質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得了高密度的異質(zhì)界面。主要結(jié)論如下:(1)在純Cu塊體樣品中成功獲得了具有高度可調(diào)粒度分布的三維核殼納米結(jié)構(gòu)。期望的強(qiáng)度和延展性的組合可以通過(guò)調(diào)整核殼分?jǐn)?shù)和每個(gè)組成部分的晶粒尺寸精確定制。殼分?jǐn)?shù)為83.5%的HS-Cu合金抗拉強(qiáng)度高達(dá)502 MPa，均勻伸長(zhǎng)率為8.4%。

(2)綜合顯微組織表征(包括Micro-DIC、原位EBSD和TEM)表明，拉伸變形過(guò)程中核殼區(qū)之間形成梯度應(yīng)變，核殼界面附近大量GNDs加速生成和積累。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的延展性至關(guān)重要。(3)多尺度模擬(包括原子模擬和晶體塑性有限元模擬)相互揭示了三維空間核殼界面附近GNDs的產(chǎn)生和積累對(duì)塑性變形過(guò)程中應(yīng)變梯度的調(diào)節(jié)和高應(yīng)變硬化率的維持起著關(guān)鍵作用，從而實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和大延性的優(yōu)越結(jié)合。(4)本研究的加工技術(shù)可以擴(kuò)展到其他材料體系(如多相合金和金屬基復(fù)合材料)，促進(jìn)了一種通用方法的發(fā)展，以定制先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能。