【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】長期以來，基于位錯理論的晶體材料應(yīng)變硬化被視為現(xiàn)代凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域里重要且棘手的科學(xué)問題之一。它的重要性源于提高應(yīng)變硬化可同時提高材料強度和塑性；而棘手性在于應(yīng)變硬化涉及宏量應(yīng)變載體(位錯)的增殖、交互作用、湮滅、重排等復(fù)雜的動態(tài)演變過程，且存儲位錯的飽和密度依賴于微觀結(jié)構(gòu)。普遍認為，粗晶中位錯存儲空間大而具有最強的應(yīng)變硬化能力。諸多強化策略可有效提升材料強度，但不可避免會降低位錯存儲密度而顯著降低其加工硬化，低溫變形亦是如此。應(yīng)變硬化能力的降低是造成結(jié)構(gòu)材料強度-塑性/韌性等性能倒置的根本原因。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員盧磊團隊在這一科學(xué)難題方面取得了重要研究進展。9月14日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。
 

　　具有空間梯度序構(gòu)位錯胞結(jié)構(gòu)的合金在低溫拉伸變形時不僅具有優(yōu)異的強度和塑性，而且表現(xiàn)出超高的應(yīng)變硬化能力，其應(yīng)變硬化率甚至超過粗晶(圖1)，顛覆了粗晶結(jié)構(gòu)具有最高加工硬化能力的固有認識。這種低溫超高應(yīng)變硬化源于多滑移原子尺度層錯束萌生主導(dǎo)的動態(tài)結(jié)構(gòu)細化。細化形成的亞十納米層錯疇既能顯著阻礙位錯運動又能高效存儲更高密度的位錯(圖2)?？臻g梯度序構(gòu)、位錯胞本征結(jié)構(gòu)以及低溫環(huán)境協(xié)同，激發(fā)了超高密度二維平面層錯疇主導(dǎo)的應(yīng)變硬化完全不同于位錯、孿生及相變等傳統(tǒng)應(yīng)變硬化機制。
 

　　上述成果是本團隊繼發(fā)現(xiàn)梯度納米孿晶金屬的額外強化與加工硬化、梯度位錯結(jié)構(gòu)的高強塑性后，又一次發(fā)現(xiàn)梯度序構(gòu)位錯結(jié)構(gòu)可激活原子尺度多滑移層錯實現(xiàn)晶體低溫超高應(yīng)變硬化。該研究發(fā)展了晶體材料的應(yīng)變硬化理論，為研發(fā)高性能金屬材料及極端環(huán)境應(yīng)用提供了新的機遇與挑戰(zhàn)。
 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的支持。美國學(xué)者在同步輻射X射線表征、中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員武曉雷團隊在低溫力學(xué)性能、金屬所研究員陶乃镕在結(jié)果分析討論方面做出了貢獻。
 

　　圖1. 梯度位錯結(jié)構(gòu)(GDS)合金及其典型低溫力學(xué)行為。(A)狗骨頭棒狀宏觀拉伸樣品；(B)樣品截面示意圖，顯示自表(深藍色)及芯(淺灰色)梯度結(jié)構(gòu)分布；(C)梯度位錯管狀樣品標距段三維X-射線重構(gòu)形貌(管壁厚度~0.45 mm)；(D)GDS、管狀GDS和粗晶的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(E)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(F)均勻塑性與歸一化抗拉強度曲線，表明梯度位錯結(jié)構(gòu)合金的優(yōu)異低溫綜合力學(xué)性能。
 

　　圖2. 梯度位錯結(jié)構(gòu)表層77 K拉伸結(jié)構(gòu)演變特征。拉伸應(yīng)變3%時截面SEM(A)和TEM(B)結(jié)果，晶粒內(nèi)不同滑移面上相互交割的層錯束穿過多個位錯胞；(C)對應(yīng)的HAADF-STEM結(jié)果表明層錯束包含超高密度的層錯和孿晶結(jié)構(gòu)。拉伸應(yīng)變40%時截面SEM(D-E)和TEM(F)結(jié)果，晶粒內(nèi)已產(chǎn)生高密度細化結(jié)構(gòu)-納米層錯疇；(G)對應(yīng)的HAADF-STEM結(jié)果表明位錯胞被極小層錯疇進一步細化；(H)77 K拉伸變形過程中由原始位錯胞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏葋喪{米層錯疇的動態(tài)結(jié)構(gòu)細化示意圖。