進入21世紀以來，隨著中國經濟的快速發展和制造業的不斷升級，對高強度、高塑性、高導電性及抗疲勞金屬材料的需求日益迫切。因此，提升金屬材料的強度、塑性、導電率及疲勞性能具有重要工程意義。然而，如何突破強度-塑性和強度-導電率之間制約關系，一直是金屬材料領域重大國際難題。張哲峰研究員團隊長期開展金屬材料塑性變形、強韌化及高強-高導機制研究，通過揭示位錯和電子對金屬材料強度、塑性、導電率的影響，近期在這一領域取得新進展。 提出強度-導電率定量關系模型：基于金屬導線服役時位錯滑移和電子輸運與晶界交互作用機理，提出了晶粒寬度主要影響強度，晶粒長度主要影響導電率，進而提出了“細長晶粒”設計高強-高導原理，采用“超細長晶”技術成功實現了若干純鋁/銅導線強度和導電率同步提升，打破了強度-導電率之間制約關系（圖1）。進一步地，根據提出的物質傳導定律：即物質通量密度與載荷梯度成正比，將細長晶粒特征晶界與基體進行串-并聯建模，推導出細長晶粒、晶界特征與導電率和強度定量關系，澄清了垂直晶界和平行晶界長徑比、數量以及尺寸對強度和導電率的定量影響機理，建立了細長晶粒晶界空間分布特征參數與強度σgb和導電率E之間定量關系模型： 強度-導電率與晶粒-晶界特征定量關系如圖2所示。該研究結果發表在 Hou JP (侯嘉鵬等) Acta Materialia 281 (2024) 120390，Li XT (李孝滔等) Journal of Materials Science & Technology 213 (2025) 80-89和Fan XY (范雪圓等) Journal of Materials Science & Technology 220 (2025) 14-22上。 提出位錯運動臨界獨立空間模型：以金屬材料中影響強度-塑性關鍵因素—位錯如何運動作為切入點，通過分解其在不同方向上的臨界距離，提出平行于滑移面方向的臨界塞積距離影響強度，而垂直于滑移方向的臨界捕獲距離影響塑性，計算模擬發現對于Al、Ag、Cu、Ni等純金屬，二者乘積恒定，該恒定值代表不同金屬中位錯運動臨界獨立空間大小A*，反映了金屬材料本征強度-塑性水平。位錯運動臨界獨立空間的提出揭示了金屬材料強度-塑性相互制約的內在原因。大量實驗發現：通過合金化降低層錯能、增加短程有序和降低溫度可減小位錯運動臨界獨立空間，實現強度-塑性同步提升（圖3），該研究結果發表在Liu R (劉睿等) Journal of Materials Science & Technology,224 (2025) 239-244上。 建立金屬材料強度-塑性制約關系定量模型：基于位錯塞積機制理解，通過考慮位錯塞積誘發應變和應力集中，分別推導出多晶金屬材料強度-塑性關系數學表達式，進而建立了單相金屬材料強度-塑性制約關系定量模型： 其中，σb和εU分別表示拉伸強度和均勻延伸率。對比大量實驗結果發現：該制約關系定量模型與大量金屬材料拉伸強度-塑性實驗數據相符，如圖4(a)所示。該模型表明：不改變金屬合金成分，單純通過調控晶粒尺寸難以同步提升其強度和塑性水平。同時模型中三個材料參數對應于強度-塑性協同提高的三個機制：1)增加位錯本征滑移阻力；2)改善界面強度；3)促進滑移均勻化；建立的強度-塑性制約（trade-off model）關系定量模型總結如圖4(b)所示，該研究結果發表在Li XT (李孝滔等) Acta Materialia 289 (2025) 120942上。 上述研究表明：金屬材料不同性能之間的相互制約關系是普遍存在的，但導致性能之間相互制約的內在原因有所不同。其中力學性能—功能性能這類制約關系往往受多因素控制：如強度-導電率制約關系，二者分別受位錯行為和自由電子散射的不同影響；這種情況下，可以不改變合金成分而僅通過組織調控突破強度-導電率制約關系，如通過拉拔導線增加纖維晶粒中平行晶界數量阻礙位錯提高強度，減少導線纖維晶粒中垂直晶界數量降低電子散射而提高導電率，實現強度-導電率同步提升。而強度-塑性之間制約關系則通常僅受單因素—位錯行為控制，這種情況下，受合金成分影響的本征因素是影響強度-塑性相互制約關系的關鍵，因而常規的微觀組織調控難以改變位錯本征行為，很難從根本上突破強度-塑性制約關系。通過揭示位錯運動臨界獨立空間可反映不同金屬合金中位錯本征行為，進一步通過建立強度-塑性制約關系定量模型，實現了對這一本征制約關系的定量描述，可為不同金屬合金強度-塑性水平預測及設計制備提供參考。上述研究成果可為深入理解金屬材料不同性能之間制約關系提供理論依據，并為實際服役條件下對金屬材料綜合性能的不同需求提供有效的應對措施。 上述研究工作獲得國家自然科學基金創新研究群體(52321001)、重大(52494932)、重點(52130002)及優青(52322105)基金項目資助。 圖1 超細長晶銅導線強度-導電率突破 圖2 細長晶粒-晶界空間分布特征參數與強度-導電率定量關系 圖3 位錯運動臨界獨立空間及影響強度-塑性制約關系的主要因素 圖4 金屬材料強度-塑性制約（trade-off model）關系定量模型驗證及總結 AI讀進展：金屬材料性能突破：如何讓材料既強韌又導電？ 背景：金屬材料的“不可能三角” 金屬材料在工程應用中常常面臨一個經典難題：強度（抗變形能力）、塑性（延展性）和導電率（導電能力）三者之間似乎存在天然的矛盾。例如： • 高強材料（如鋼鐵）通常導電性差且脆硬； • 高導材料（如純銅）往往強度低、易變形； • 高塑性材料（如純鋁）容易在受力時發生永久塑性形變。 這種“魚與熊掌不可兼得”的特性，嚴重制約著電力傳輸、航空航天等領域的發展。而中國科研工作者近期在這一領域取得重要突破。 __________________________________ 突破一：破解“強度-導電率”矛盾 關鍵發現：晶粒形狀的魔術 • 傳統認知：材料中的晶界（晶粒間邊界）會阻礙電子流動（降低導電率），但同時也能阻止位錯運動（提高強度），導致兩者互相制約。 • 創新設計：金屬所張哲峰團隊提出“細長晶粒”結構（類似拉長的米粒）： o 橫向晶界（短邊）稀疏排列，電子可沿晶粒長軸自由流動，橫向晶界數量減少可降低電子散射而提高導電率。 o 縱向晶界（長邊）數量減加，像“柵欄”一樣阻擋位錯移動，顯著提升強度； • 實際效果：在純鋁/銅導線中實現強度提升30%，導電率保持90%以上，解決了電力傳輸中導線“一拉就斷”或“電阻過高”的難題。 __________________________________ 突破二：揭秘“強度-塑性”制約關系 位錯運動的“黃金分割” • 核心概念：科學家首次提出位錯運動臨界獨立空間（A*），發現不同金屬中位錯滑移時： o 平行滑移方向的臨界塞積距離決定強度； o 垂直滑移方向的臨界捕獲距離決定塑性； o 二者乘積恒定為A*，這是材料的本征特性。 • 調控手段： o 通過合金化（如銅中加鋁）、低溫處理等方式縮小A*值； o 實驗效果：調整后的銅合金強度提升50%，延伸率（塑性）提高20%。 _________________________________ 突破三：建立性能預測數學模型 團隊構建了三個關鍵公式，為材料設計提供“導航儀”： 1. 強度-導電率模型：通過晶粒長寬比、晶界特征等參數，定量預測材料性能。 2. 強度-塑性模型：公式σ_b•ε_U^(1/2) = K（K為材料常數），揭示單純靠細化晶粒無法同時提升強塑性。 3. 臨界空間模型：A* = L_塞積 × L_捕獲，解釋不同金屬的強度-塑性差異。
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