【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】長(zhǎng)期以來(lái)，基于位錯(cuò)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(wèn)題之一。它的重要性源于提高應(yīng)變硬化可同時(shí)提高材料強(qiáng)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(cuò))的增殖、交互作用、湮滅、重排等復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，且存儲(chǔ)位錯(cuò)的飽和密度依賴于微觀結(jié)構(gòu)。普遍認(rèn)為，粗晶中位錯(cuò)存儲(chǔ)空間大而具有最強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力。諸多強(qiáng)化策略可有效提升材料強(qiáng)度，但不可避免會(huì)降低位錯(cuò)存儲(chǔ)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(qiáng)度-塑性/韌性等性能倒置的根本原因。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員盧磊團(tuán)隊(duì)在這一科學(xué)難題方面取得了重要研究進(jìn)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(cuò)胞結(jié)構(gòu)的合金在低溫拉伸變形時(shí)不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)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(guò)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(rèn)識(shí)。這種低溫超高應(yīng)變硬化源于多滑移原子尺度層錯(cuò)束萌生主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)化。細(xì)化形成的亞十納米層錯(cuò)疇既能顯著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)又能高效存儲(chǔ)更高密度的位錯(cuò)(圖2)。空間梯度序構(gòu)、位錯(cuò)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(cuò)疇主導(dǎo)的應(yīng)變硬化完全不同于位錯(cuò)、孿生及相變等傳統(tǒng)應(yīng)變硬化機(jī)制。
 

　　上述成果是本團(tuán)隊(duì)繼發(fā)現(xiàn)梯度納米孿晶金屬的額外強(qiáng)化與加工硬化、梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)塑性后，又一次發(fā)現(xiàn)梯度序構(gòu)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)可激活原子尺度多滑移層錯(cuò)實(shí)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(jī)遇與挑戰(zhàn)。
 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等的支持。美國(guó)學(xué)者在同步輻射X射線表征、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員武曉雷團(tuán)隊(duì)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(xiàn)。
 

　　圖1. 梯度位錯(cuò)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(lán)色)及芯(淺灰色)梯度結(jié)構(gòu)分布；(C)梯度位錯(cuò)管狀樣品標(biāo)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(qiáng)度曲線，表明梯度位錯(cuò)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(cuò)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(shí)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(cuò)束穿過(guò)多個(gè)位錯(cuò)胞；(C)對(duì)應(yīng)的HAADF-STEM結(jié)果表明層錯(cuò)束包含超高密度的層錯(cuò)和孿晶結(jié)構(gòu)。拉伸應(yīng)變40%時(shí)截面SEM(D-E)和TEM(F)結(jié)果，晶粒內(nèi)已產(chǎn)生高密度細(xì)化結(jié)構(gòu)-納米層錯(cuò)疇；(G)對(duì)應(yīng)的HAADF-STEM結(jié)果表明位錯(cuò)胞被極小層錯(cuò)疇進(jìn)一步細(xì)化；(H)77 K拉伸變形過(guò)程中由原始位錯(cuò)胞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏葋喪{米層錯(cuò)疇的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)化示意圖。