梯度纳米孪晶金属的额外强化和加工硬化

近年来，微观结构梯度的概念被越来越多地应用于工程材料中。鉴于其独特的变形机制，梯度结构材料普遍表现出较好的强度、硬度、加工硬化及抗疲劳性能等。但如何理解结构梯度对力学性能的影响规律仍面临巨大挑战。

本研究利用直流电解沉积技术可控制备出孪晶片层厚度和晶粒尺寸梯度变化的纳米孪晶Cu样品，且其结构梯度大小可精确控调。力学测试表明，结构梯度增加，梯度纳米孪晶铜强度和加工硬化率同步提高，且塑性基本不变；当结构梯度足够大时，梯度材料的强度甚至超过了梯度微观结构中最强的部分。

微观结构分析与分子动力学计算模拟结合发现，梯度纳米孪晶金属额外的强化和加工硬化归因于大量的几何必需位错富集而成的位错束。变形初期，材料内部各部分逐次发生塑性变形，形成应变梯度，从而自发产生在晶粒内沿梯度方向分布的高密度位错富集束。这些位错富集束一方面可以阻碍位错运动实现了梯度材料的额外强化，另一方面有效抑制晶界应变局域化实现了梯度材料的额外加工硬化和良好的塑性。

该结果不仅促进了对梯度纳米结构材料的强化规律和机制的科学认识，同时也提供一种设计高强度、高塑性金属材料的新方法。相关研究见Science, 362 (2018)559。

Fig.1: Highly tunable structural gradient for extra strengthening and ductility in metals. A gradient nanotwinned microstructure with a spatial gradient in both twin boundary (TB) spacing and grain size offers an unusual combination of strength, uniform elongation, and work hardening, which is superior to its strongest component and to existing heterogeneous strengthening approaches through gradient nanograined (GNG), homogeneous nanotwinned (NT), and multilayered microstructures.