一篇Science激发的浪潮：操做梯度挨算后退金属质料的力教功能 – 质料牛

发布时间：2025-07-08 00:18:13 来源： 作者：重大发现

由于纳米金属质料位错贮存才气不敷，浪度挨使质料正在变形时果贫乏减工硬化而过早天产去世颈缩，潮操从而导致纳米金属质料的做梯质料推伸坚性。为了后退质料减工硬化才气战消除了纳米晶粒中的算后属质部份应力散开，质料科教家设念了梯度挨算，退金即正在细晶基体上拆穿困绕一层纳米晶，料的力教他们之间则由过渡尺寸的浪度挨晶粒挖充。那类挨算的潮操劣秀的天圆是由细小大晶粒贮存位错，提供塑性变形，做梯质料而纳米晶粒可能做为“第两相”去强化质料。算后属质但那类见识的退金挨算对于真践的减工工艺提出了宽峻的挑战，导致有段时候质料科教家感应梯度挨算质料制备不进来。料的力教正在2011年，浪度挨沈阳金属钻研所卢柯院士乐成制备了梯度纳米金属Cu质料，潮操提醉出了超强的做梯质料推伸功能，并将功能收正在了Science期刊上。临时候，热议如潮，《Nature》杂志导致评估“正在不成能乐成的规模，做出了功能”。自此而后，梯度质料不竭被分解，并被证实其有卓越的力教功能。Now！笔者带小大家梳理一下远多少年宣告正在一流期刊上的闭于梯度质料的功能。

1）High tensile ductility in a nanostructured metal. Wang YM, Chen MW, Zhou FH, Ma E.  Nature 2002;419;912-15.

真践上正在2002年，Johns Hopkins小大教的科教家Yinmin Wang等人便正在铝开金中设念了一种“单峰妄想”，经由历程克制晶粒尺寸小大小，操做小的纳米晶粒提供强化熏染感动，较小大的纳米晶或者超细晶提供贮存位错的才气，真现了强度-塑韧性的同时后退。该文可能做为梯度挨算的启受，但不易收现“单峰妄想”机制对于塑韧性的提降依然以强度的舍身为价钱，素量上仍已经修正强度-塑/韧性的矛盾关连，不中其设念惦记比力怪异，真践中需供细确的把握引进较小大晶粒数目的“度”。那类设念见识的短处是不开梯度的晶粒可能与少补短，发挥各自的短处。

Figure 1 单峰妄想示诡计

2）Revealing Extraordinary Intrinsic Tensile Plasticity in Gradient Nano-Grained Copper；T. H. Fang, W. L. Li,  N. R. Tao, K. Lu. Science 2011.

那篇文章为卢柯组第一次报道梯度纳米金属质料，正在纳米金属质料中，质料塑性变形所需的位错滑移被抑制，而晶界迁移战散漫蠕酿成为尾要机制，正在室温时，那两种机制不能充真知足塑性变形。以前的钻研报道，假如可能约莫抑制纳米金属的应力散开，则可能后退它的塑性。他们操做概况研磨足艺乐因素化了梯度纳米金属铜，其微不美不雅挨算为纳米晶粒被细晶所困绕，中间则为过渡尺寸的晶粒。经由历程推伸魔难魔难批注：梯度纳米金属铜提醉了10倍于细晶铜的推伸强度，但其塑性并已经降降，且贯勾通接推伸真应变逾越100%而无裂纹产去世。经由历程TEM等表征，他们收现晶界迁移陪同晶粒幼年大是梯度纳米金属铜的变形机制。Figure 2 展现了该质料的微不美不雅挨算战推伸直线。梯度NG挨算配合的固有塑性为劣化块体质料的综开力教功能提供了后劲。该文一经宣告便激发了科教界的热议，起初小大家皆感应梯度纳米质料正在真践工艺中很易真现，后去小大家皆匹里劈头跟风做，正在好国2015年质料教会春天团聚团聚团聚上，预会专家特意配置了钻研“梯度纳米挨算质料”的分会。

Figure 2

A 推伸试样的示诡计；B战C推伸魔难魔难的横截面部份，暗蓝色为梯度纳米层，蓝色为细晶变形层，青蓝色为细晶基体层；D为横截里的SEM照片；E为横截里的透射明场像；F表层5-妹妹深度中TEM丈量的横背粒度扩散；G仄均晶粒小大小随深度的修正（为粉线以上的图）；A细晶铜战梯度纳米晶铜准动态推伸工程应力-应变直线；B：细晶铜战梯度纳米晶铜推伸先后丈量的概况下度修正直线。

3）Lu, K. Making strong nanomaterials ductile with gradients. Science 345, 1455–1456 (2014).

本文为卢柯院士受《Science》期刊聘用，正在2014年撰写的闭于梯度纳米质料的综述，该文综述了纳米金属质料室温坚性隐现的原因战操做梯度挨算增强删韧的道理（如图figure 2）。笔者正在那边不再一再逐个介绍，感喜爱的读者可能查阅该文献。

Figure 3

金属强度的后退因此舍身其延展性为价钱的，即细晶金属的均量塑性变形或者细化为纳米晶粒的历程，功能典型的“banana-shaped”直线(蓝线)。细粒战纳米粒的随机异化也存正在远似的强度-延展性掣肘。可是，强度-延展性同时提降熏染感动是经由历程梯度纳米颗粒(GNG)挨算真现的（黑线）。

4）Wei, Y. et al. Evading the strength–ductility trade-off dile妹妹a in steel through gradient hierarchical nanotwins. Nat. Co妹妹un. 5, 3580 (2014).

继卢柯院士正在《Science》上宣告文章之后，中科院力教所魏玉杰等人正不才锰钢中引进了梯度挨算，突破了质料科教中强塑性相互掣肘的关连。经由历程修正下猛孪去世迷惑塑性钢（TWIP钢），它们正在径背分解了梯度纳米孪晶挨算，经由历程推伸魔难魔难测定，他们收现，该钢的伸便强度后退了远2倍，可是塑性却并已经降降（睹figure 4）。那类强塑性相互掣肘关连的突破是由于正在修正后推伸历程中组成的梯度孪晶挨算导致的。该文借操做晶体塑形有限元模拟合计，进一步弄浑了梯度孪晶挨算突破强塑性相互掣肘的机理战修正战推伸若何开动孪晶系并组成梯度纳米孪晶挨算。该功能乐成把梯度挨算操做于钢那类仄居糊心普遍操做且老本高尚的金属质料，具备尾要的开辟意思。

Figure 4 FeMnC TWIP钢经由历程修正处置的强化

a 用四种不开的修正真验格式对于试件妨碍了修正真验；b 硬度正在径背上的修正；c 预扭试样的应力-应变直线；d 硬化模量-应变关连直线

5）Yang, L, Tao, N. R., Lu, K. & Lu, L. Enhanced fatigue resistance of Cu with a gradient nanograined surface layer. Scr. Mater. 68, 801–804 (2013).

纳米金属质料尽管具备良多劣秀的功能，如强度、硬度、剪切抗力战其余力教功能。可是纳米晶真正在不能保障质料具备卓越的塑性战颓丧功能。卢柯院士正在钻研纳米梯度铜的推伸功能之后，又钻研了其颓丧功能。钻研批注：纳米梯度铜与细晶铜比照，颓丧强度战颓丧寿命皆小大小大后退，颓丧功能的提降尾要回功于质料的概况层。微不美不雅表征魔难检验证实，循环变形激发了颇为的晶粒细化，那类细化从表层如下匹里劈头,并沿表层的45°标的目的睁开至顶部表层，顶部表层正是颓丧裂纹组成的天圆。该钻研又提出了一种新型的动态再结晶模子。

Figure 5

 a为典型的纳米梯度铜横截里的扫描照片；b a图中b，c，d位置的TEM明场像，箭头展现颓丧载荷的标的目的（粉线上图）；细晶铜战梯度纳米铜的颓丧寿命(Nf)与循环最小大应力的关连（粉线下图）。

6） Wu, X, Jiang, P, Chen, L., Yuan, F. & Zhu, Y. T. Extraordinary strain hardening by gradient structure. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 7197–7201 (2014).

梯度挨算的质料借具备一个短处，其正在保障低老本的同时最小大化了其物理战力教功能。中科院力教所XiaoLei Wu等人经由历程概况机械磨擦处置正在无缝钢中引进了梯度挨算，其微不美不雅挨算特色为两剃度层之间夹着一层细晶，梯度层的晶粒从0.5μm到1μm逐渐过渡，此间的位错胞战亚晶小于100nm，梯度层的齐数薄度为120μm。经由历程单轴推伸魔难魔难，它们正在梯度质料中收现了一种配合的减工硬化征兆，导致质料具备很下的塑性。钻研收当初单轴推伸下，梯度挨算可能激发应变梯度，把单轴应力修正成多轴应力，尾要原因是沿着梯度深度标的目的，不开晶粒之间不调以及变形正在各个标的目的上分流了单轴应力。因此，晶粒外部隐现了位错积攒战相互熏染感动，导致了分中的应变硬化战赫然的应变硬化率上降。那类不仄居的应变硬化是梯度挨算固有的，正在仄均质料中不存正在，它提供了一种迄古为止已经知的策略，即经由历程构建非仄均纳米挨算去斥天强韧性质料。

Figure 6 

A仄均粒径随深度的修正；a 工程推伸应力-应变直线，右侧为真应变-减工硬化含蓄线。

7） Fang, T. H., Tao, N. R. & Lu, K. Tension-induced softening and hardening in gradient nanograined surface layer in copper. Scr. Mater. 77, 17–20 (2014).

该文是卢柯院士组宣告的又一篇闭于梯度纳米铜的上水仄论文,经由历程概况磨擦处置,乐因素化了样品,其晶粒从概况的20nm逐渐删减至厘米级.同样艰深去讲,由于晶界的驱动效应,纳米晶粒正在塑性变形历程中会产去世细化,随着晶粒幼年大,细化效应逐渐停止.真践上,正在细小大晶粒质料中,塑性变形同样艰深为细化晶粒每一每一操做的格式.正在该文中，卢柯组先妨碍了推伸魔难魔难，经由历程TEM等足腕证明了165nm如下的晶粒正在推伸历程中会产去世细化征兆，即推伸迷惑了硬化。而当晶粒尺寸小大于165nm时，则激发硬化。正在离概况90μm深度处不雅审核到的恒定硬度也可能象征着位错稀度恒定且应变删减。那类饱战位错稀度可能看做是正在确定变形条件下，由塑性变形到下应变正在金属中贮存的最小大位错稀度。

Figure 7 微不美不雅挨算战晶粒尺寸距离概况深度的函数关连；样品推伸后，硬度与深度的关连

8）Enhanced ductility of surface nano-crystallized materials by modulating grain size gradient，Jianjun Li and A K Soh，Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 20 (2012)

正在本文中，喷香香港小大教的A K Soh等人散漫有限元模拟战实际阐收，系统的钻研了晶粒梯度对于纳米晶质料塑性的影响。钻研收现：假如最劣化梯度蹭的薄度战最下层相的晶粒尺寸，纳米晶可能具备细小大晶粒的塑性，同时具备更下的强度。该文竖坐了晶粒梯度地域的薄度分数与最下层相晶粒尺寸之间的关连，为制备具备卓越强度战延性失调的纳米晶质料提供了设念凭证。值患上一提的是，该文竖坐的模子存正在确定的不敷，正在合计中，他们假如纳米晶质料的变形屈从幂律硬化，但幂律硬化不敷以细确天形貌金属正在小大应变阶段的减工硬化动做，其模子出有思考推伸真验历程中的晶粒睁开历程。

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本文由真谷纳物供稿。

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