卢柯，卢磊，Suresh等人利用梯度结构同时极大提高金属材料强塑性

来源：材料人

许多生物材料在局部化学组成或成分以及结构特征上表现出空间梯度，这样的空间梯度提高了生物材料的力学性能并赋予一定功能。为了优化力学性能，结构梯度被引入到金属工程材料中。但在如何合成这种具有空间梯度的金属材料，一直充满着挑战。从结构的提出到实验室的成功合成，该过程经历了10年之久。第一个成功合成梯度结构金属材料的是我国沈阳金属研究所的卢柯院士，并将成果发表在了Science期刊上，继而后来引发了全世界的科研浪潮。到目前为止，关于梯度结构金属材料的研究已经有不少发表在了Science期刊上，下面笔者给大家分享，看看这种结构是具有那些优越性，是如何提高材料力学性能的。1. Suresh, S. Graded materials for resistance to contact deformation and damage. Science 292, 2447–2451 (2001).在该文发表之前，科学家已经认识到了梯度材料在在各种学科中，如摩擦学、地质学、光电子学、生物力学、断裂力学和纳米学等学科的重要性。该文则是一片综述性文章，全面综述了通过这种梯度结构，表面对正常和滑动接触或冲击的破坏和失效阻力可以发生实质性的改变。这篇综述评估了目前对梯度材料抗接触变形和损伤的理解，为梯度材料的力学变形机理的理解提供了很好地第一手资料，这为开发并利用梯度材料提供了理论支撑。该文还进一步概述了梯度材料未来的研究方向和可能的应用。这篇文章的引用非常大，是研究并理解梯度结构材料很好地可读性文章。图1 纤维取向中的弹性梯度、应力梯度对层压痕损伤的影响[1]。2. Fang, T., Tao, N. & Lu, K. Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper. Science 331, 1587–1590 (2011).这篇文章为卢柯组第一次报道梯度纳米金属材料，在纳米金属材料中，材料塑性变形所需的位错滑移被抑制，而晶界迁移和扩散蠕变成为主要机制，在室温时，这两种机制不能充分满足塑性变形。之前的研究报道，如果能够抑制纳米金属的应力集中，则可以提高它的塑性。他们利用表面研磨技术成功合成了梯度纳米金属铜，其微观结构为纳米晶粒被粗晶包围，中间则为过渡尺寸的晶粒。通过拉伸实验表明：梯度纳米金属铜展示了10倍于粗晶铜的拉伸强度，但其塑性并未下降，且维持拉伸真应变超过100%而无裂纹产生。通过TEM等表征，他们发现晶界迁移伴随晶粒长大是梯度纳米金属铜的变形机制。图2 表示了该材料的微观结构以及拉伸曲线。梯度NG结构独特的固有塑性为优化块体材料的综合力学性能提供了潜力。该文一经发表就引起了科学界的热议，起初大家都认为梯度纳米材料在现实工艺中很难实现，后来大家都开始跟风做，在美国2015年材料学会秋季会议上，与会专家专门设置了研讨“梯度纳米结构材料”的分会。图2 梯度纳米Cu材料的微观组织及其力学性能。A 拉伸试样的示意图；B和C 拉伸实验的横截面部分，暗蓝色为梯度纳米层，蓝色为粗晶变形层，青蓝色为粗晶基体层；D 为横截面的SEM照片；E 为横截面的透射明场像；F 表层5-mm深度中TEM测量的横向粒度分布；G 平均晶粒大小随深度的变化（为粉线以上的图）；A：粗晶铜和梯度纳米晶铜准静态拉伸工程应力-应变曲线；B：粗晶铜和梯度纳米晶铜拉伸前后测量的表面高度变化曲线[2]。3. Thevamaran, R. et al. Dynamic creation and evolution of gradient nanostructure in single-crystal metallic microcubes. Science 354, 312–316 (2016).该文演示了在最初接近无缺陷的单晶银微立方体中极端梯度纳米颗粒结构的动态创建和随后的静态演化。极端的纳米结构转变是由高应变率，应变梯度，和再结晶在高速冲击微立方体造成的。首先作者以自下而上的接种方法生长过程合成了银微立方体，并使用先进的激光诱导弹丸冲击测试装置选择性地以超音速发射它们，以用来轰击样品。该文对变形立方体提供了新的见解，并揭示了高速碰撞对晶体和样品形状的影响。在实验中产生的纳米结构转变为开发高强度和高韧性工程应用的梯度纳米颗粒金属提供了前景广阔的途径，例如，在飞机和航天器的结构部件中。图3高度可调的结构梯度，增强金属的强度和延展性 冲击20小时后，观察了Ag微立方体的变形模式和GNG组织的形成[3]。4. Cheng, Z., Zhou, H., Lu, Q., Gao, H. & Lu, L. Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals. Science 362, eaau1925 (2018).梯度结构在自然界中广泛存在，并越来越多地应用于工程中。然而，理解所有梯度结构中与结构梯度相关的力学行为，包括工程材料，一直是一个挑战。该文在纯铜中探索了具有高度可调结构梯度的梯度纳米孪晶结构的力学性能。一个大的结构梯度允许优越的加工硬化和强度，可以超过那些最强的梯度结构组件。通过系统的实验和原子模拟，发现这种不寻常的行为是由晶粒内部超高密度位错的独特图案所引起的。这些发现不仅揭示了梯度结构，而且可能为通过梯度设计提高材料力学性能指明了一条前景广阔的途径。图4在孪晶界(TB)间距和晶粒尺寸上都有空间梯度的梯度纳米孪晶组织提供了一种不同寻常的强度、均匀伸长和加工硬化组合，优于其最强成分和现有的通过梯度纳米孪晶(GNG)、均匀纳米孪晶的非均匀强化方法(NT)和多层微观结构[4]。5. Lu, L., Chen, X., Huang, X. & Lu, K. Revealing the maximum strength in nano-twinned copper. Science 323, 607–610 (2009).多晶材料的强度随晶粒尺寸的减小而增大。低于临界尺寸时，更小的晶粒可能导致软化，正如原子模拟所揭示的那样。当形变机制由晶格位错活动转变为与晶粒边界有关的过程时，应出现最强尺寸。该文研究了不同孪晶厚度的纳米孪晶铜样品的最大强度。实验发现，强度随孪晶厚度的减小而增加，在15纳米处达到最大值，随后在较小的值处出现软化，并伴随着应变硬化和拉伸延展性的增强。强度最大的孪晶厚度的产生源于屈服机制中由跨孪晶界的滑移转移到已有的易位错源的活动。图5（A）形变样品的典型明亮透射电镜图像显示晶格位错的缠结;(B) HRTEM图像显示，试样拉伸变形到30%的塑性应变TB处有高密度的堆垛层错(SF)；（C）TBs处的肖克利不全位错和堆垛层错的排列[5]。