中科院力学所提出多级构筑纳米结构的强韧化策略

对于金属结构材料，人们总是希望其不仅强度高，同时还具有大的拉伸塑性。然而强度与塑性却是一对本征的矛盾，人们可以容易地通过塑性变形将晶粒细化到纳米尺寸，把传统粗晶的强度提高5-15倍，代价却是丧失了几乎全部的均匀塑性。材料的塑性取决于微结构相关的加工硬化能力，高强度纳米金属中传统的位错塑性与硬化效应非常微弱；即使在低层错能材料中，晶粒尺度效应也会强烈抑制孪生变形和相变诱导的加工硬化效应。因而，人们面临的极大挑战是怎样在高强度纳米金属中获得加工硬化能力。

近日，中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室的武晓雷研究团队提出一种多级构筑结构的策略，应用在低层错能的等原子比CrCoNi中熵合金中，实现了高强度与拉伸塑性的优异匹配。研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS，2018）上。

研究团队利用简单的工业化冷轧与再结晶退火，巧妙地构筑了一种多级晶粒尺度的纳米结构，即晶粒尺寸非均匀的异构 (heterogeneous grain structure)，包含微米、亚微米和纳米等三个尺度的晶粒。他们发现多级结构在塑性变形时，发生应力应变再分配，特别是亚微米晶粒由于承担了较大的应力，可诱导变形孪生，在晶界不断形成纳米孪晶，并在拉伸变形过程中演化为纳米晶粒。多级结构最显著的拉伸变形特点是其本身由于纳米晶粒的形成而不断增强，发生动态的晶粒细化，类似于TWIP效应和TRIP效应。实验进而证实，大量原位形成的纳米晶粒诱导了迄今为止最为显著的背应力硬化效应 (back stress hardening)，提高了加工硬化能力，因而在1.2GPa的高屈服强度下获得了25%的拉伸均匀塑性。他们进一步发现，与均质的低层错能或高层错能纳米结构相比，多级结构在同等强度下可以获得更大的加工硬化能力和拉伸塑性。

他们的研究成果揭示了多级构筑结构的强韧化机理，提出了针对低层错能金属材料如不锈钢和中高熵合金等的一条强韧化新途径。这项研究工作的合作者为美国约翰霍普金斯大学材料系教授马恩。研究工作得到科技部国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金和中科院B类先导专项的资助。

图注: a. 单相CrCoNi中熵合金拉伸变形后的多级结构 (白色、蓝色和彩色分别为微米、亚微米和纳米晶粒)，纳米晶粒在亚微米晶粒的晶界形成；b. 拉伸性能；c. 归一化加工硬化率；d. 强度–塑性匹配。