通常情況下，金屬的強(qiáng)度和塑性類似于魚和熊掌的關(guān)系，二者往往是相互掣肘的關(guān)系?？墒?/span>現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用中，總希望材料既強(qiáng)又韌，尤其是航空航天等高端領(lǐng)域。怎樣同時(shí)提高材料的強(qiáng)塑性，或者在極大提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，塑性又不下降，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。到目前為止，有很多材料科學(xué)家通過特殊工藝，使材料內(nèi)部產(chǎn)生獨(dú)特微結(jié)構(gòu)，成功打破了強(qiáng)塑性相互掣肘的難題。下面筆者對(duì)部分研究者的成果進(jìn)行總結(jié)，讓材料人領(lǐng)略一下大牛的思路。
1. 盧柯等人在材料中引入梯度結(jié)構(gòu)和納米孿晶（兩篇Science）1.1 梯度結(jié)構(gòu)

梯度結(jié)構(gòu)是指在粗晶基體上覆蓋一層納米晶，他們之間則由過渡尺寸的晶粒填充。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)異之處是由粗大晶粒貯存位錯(cuò)，提供塑性變形，而納米晶?？梢宰鳛?span lang="EN-US">“強(qiáng)化劑”來強(qiáng)化材料。其本質(zhì)上也是利用了界面強(qiáng)化的概念。盧柯等人通過表面研磨技術(shù)成功合成了梯度納米金屬銅。通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)證明梯度納米金屬銅具有10倍于粗晶銅的拉伸強(qiáng)度，且塑性基本保持不變，能維持拉伸真應(yīng)變超過100%而無裂紋產(chǎn)生（如圖1）。通過TEM等表征發(fā)現(xiàn)晶界遷移伴隨晶粒長大是梯度納米金屬銅的變形機(jī)制。

 

1.2 納米孿晶

在FCC的超細(xì)晶金屬中，納米孿晶可以很好地強(qiáng)化材料，又不會(huì)導(dǎo)致塑性的劇烈下降。當(dāng)孿晶的片層間距減少到納米級(jí)別時(shí)，就會(huì)形成納米孿晶。形成納米孿晶的材料，具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，同時(shí)伴有一定的塑性和加工硬化。圖2為納米晶Cu，通過脈沖電沉積的方法使其內(nèi)部產(chǎn)生納米孿晶?？梢钥闯鼍哂蟹枪哺窬Ы?span lang="EN-US">(GBs)的納米孿晶銅的屈服強(qiáng)度隨孿晶厚度(λ)的變化與晶粒尺寸(d)的變化趨勢(shì)相同。因此，納米孿晶界（TBs）通過阻斷位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提供了與傳統(tǒng)大角GBs相同的強(qiáng)化效果。同時(shí)我們可以看到材料的伸長率隨λ值的減小而顯著增大，而塑性隨d值的減小而減小。另外，隨著λ值的降低，加工硬化單調(diào)增加（如圖2）。TBs的存在阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并為其形核和容納位錯(cuò)創(chuàng)造了更多的局部位置，從而提高了塑性和加工硬化。

 

2. 香港大學(xué)黃明欣等人在鋼中引入高密度位錯(cuò)和層狀組織（兩篇Science）2.1 在D&P鋼中引入大量可移動(dòng)位錯(cuò)

對(duì)中錳鋼采用多道次軋制+回火工藝，得到了亞穩(wěn)奧氏體鑲嵌在馬氏體基體上的雙態(tài)微觀組織。首先馬氏體相變?cè)诓牧蟽?nèi)部引入了大量的位錯(cuò)，同時(shí)某些針狀體內(nèi)部還含有孿晶出現(xiàn)。另外，材料經(jīng)過多道次的塑性變形，材料具有極高的位錯(cuò)密度，而后面的回火并不會(huì)消除位錯(cuò)，僅僅使得位錯(cuò)被固溶元素分成不同的區(qū)域。大量的位錯(cuò)堆積于晶界處并在變形時(shí)相互作用，使得材料的屈服強(qiáng)度提高。研究還發(fā)現(xiàn)材料的塑性不降反升，這主要?dú)w功于以下幾個(gè)原因：（1）拉伸前的材料經(jīng)過冷軋，位錯(cuò)重新排列轉(zhuǎn)變形成了許多個(gè)位錯(cuò)胞，在拉伸時(shí)，位錯(cuò)胞的可動(dòng)和不可動(dòng)螺型位錯(cuò)發(fā)生滑動(dòng)，部分位錯(cuò)會(huì)被釋放，導(dǎo)致晶界解析崩塌，在外力作用下原位錯(cuò)胞被拉長，位錯(cuò)的滑動(dòng)與釋放是塑性提高的一個(gè)重要原因。（2）微觀結(jié)構(gòu)中大的奧氏體晶粒阻礙了滑動(dòng)的馬氏體界面，從而起到穩(wěn)定作用，反過來位錯(cuò)密度較高的馬氏體又保護(hù)了奧氏體，在加上合金元素，例如C等對(duì)位錯(cuò)區(qū)的劃分，這樣位錯(cuò)在變形過程中處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，提高了塑性。（3）連續(xù)的轉(zhuǎn)變誘發(fā)效應(yīng)，例如殘余應(yīng)力在兩種組織之間的相互過渡能夠減小局部應(yīng)變集中，提供動(dòng)態(tài)應(yīng)變分區(qū)，從而提升了塑性。（4）孿晶的出現(xiàn)也會(huì)導(dǎo)致塑性的提升。

 

A 拉長的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)；

B 不同應(yīng)變下XRD的衍射圖譜；

C 材料斷裂后在粗大的奧氏體晶粒中形成針狀馬氏體；

D 材料變形斷裂后在亞微米奧氏體中形成的孿晶^[3]。

2.2 港大黃明欣等人開發(fā)出創(chuàng)世界紀(jì)錄的超級(jí)鋼，Science 

本文開創(chuàng)性地提出高屈服強(qiáng)度誘發(fā)晶界分層開裂增韌新機(jī)制，這種機(jī)制有利于超高強(qiáng)鋼鐵材料斷裂韌性的大幅提升；如圖4所示，錳元素在原奧氏體晶粒邊界富集，也保留在組織結(jié)構(gòu)中。D&P鋼超高的屈服強(qiáng)度誘發(fā)錳元素富集的原奧氏體晶界在垂直于主裂紋面的方向上啟動(dòng)分層裂紋。原奧氏體晶界分層開裂之后，使原本的平面應(yīng)變斷裂轉(zhuǎn)變成一系列沿樣品厚度方向的平面應(yīng)力斷裂過程，極大地提高了D&P鋼的斷裂韌性。另外，高強(qiáng)高韌D&P鋼的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP toughening）也進(jìn)一步提高了該材料的斷裂韌性。該研究首次提出的“高屈服強(qiáng)度誘發(fā)晶界分層開裂增韌”的新機(jī)理，突破提高強(qiáng)度必然導(dǎo)致斷裂韌性降低的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為發(fā)展高強(qiáng)高韌金屬材料提供新的材料設(shè)計(jì)思路。

 

（A）三維圖解模型描述了樣品加載方向與D&P鋼組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系；

（B）工程應(yīng)力應(yīng)變曲線；

（C）J-積分阻力曲線。展示了D&P鋼同時(shí)具有極高的屈服強(qiáng)度、韌性和均勻延伸率^[4]。

3. 呂堅(jiān)院士合成納米晶核/非晶殼結(jié)構(gòu)的鎂合金材料（Nature）

利用磁控濺射的方法成功制備出了一種具有雙相結(jié)構(gòu)的鎂合金，其微觀結(jié)構(gòu)為納米晶體核鑲嵌在尺寸較大的非晶殼基體中，其中納米晶體核的成分為MgCu₂, 大小為6nm，晶核周圍幾乎沒有位錯(cuò)存在。在變形過程中，首先在非晶殼中形成局部剪切帶，當(dāng)遇到MgCu₂時(shí)，其傳播便會(huì)受阻并轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)更小的剪切帶。外力的持續(xù)增加以及MgCu₂的阻礙作用使得材料內(nèi)部出現(xiàn)大量輻射狀的剪切帶胚胎，他們?cè)试S材料內(nèi)部保留應(yīng)力。另外，由于剪切帶和MgCu₂具有相同的尺寸，這就意味著非晶/納米結(jié)構(gòu)在逮捕剪切帶后，可以立即回復(fù)以便承受額外的局部應(yīng)力。剪切帶在非晶部分的過渡會(huì)使非晶體積分?jǐn)?shù)增加。同樣的，剪切帶也會(huì)促使一些MgCu₂分割或旋轉(zhuǎn)40°。所以在更小的納米晶之間的變形區(qū)存在著非晶結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)?？梢娺@種雙相的非晶/納米晶結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)金屬材料的變形機(jī)制不同，傳統(tǒng)的晶界滑移和軟化機(jī)制被非晶殼內(nèi)形成的剪切帶及其后孕育的剪切帶胚代替。MgCu₂納米相阻礙了剪切帶的形成，從而極大地提高了材料的強(qiáng)度，而剪切帶又會(huì)導(dǎo)致MgCu₂納米相的分割和旋轉(zhuǎn)，這樣材料的塑性又不受損且有進(jìn)一步提升。

 

a、主要的變形機(jī)制，揭示了納米晶怎樣阻礙剪切帶的形成以及納米晶怎么被剪切帶分割和旋轉(zhuǎn)；

b、初始剪切帶的高分辨投射照片，揭示了剪切帶怎樣形成多個(gè)輻射狀的剪切帶胚；

c-b、圖中A區(qū)域的高分辨透射圖片，展示了MgCu₂納米相逮捕剪切帶，逮捕后的剪切帶形成了兩個(gè)子帶；

d、b圖中B區(qū)域的高分辨透射圖片，揭示了MgCu₂被剪切帶逮捕了；

e、MgCu₂納米相的兩部分相互旋轉(zhuǎn)了40°^[5]。

4. 呂昭平兩篇Nature4.1高熵合金中發(fā)現(xiàn)有序間隙原子復(fù)合體（Nature）

對(duì)高熵合金 TiZrHfNb 的研究發(fā)現(xiàn)，該合金添加氧元素之后，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的同時(shí)大幅度提高。通過高分辨電鏡等的表征發(fā)現(xiàn)， TiZrHfNb 合金中存在（Ti，Zr）以及（Hf， Nb）兩種短程有序結(jié)構(gòu)區(qū)域。材料中添加 O 元素后，優(yōu)先占據(jù)（Ti， Zr）短程結(jié)構(gòu)的間隙位置，形成有序氧復(fù)合體（O， Ti， Zr）（大小約為 1-3nm，），從而造成固溶強(qiáng)化，提高材料的強(qiáng)度。同時(shí)， 由于有序氧復(fù)合體的形成對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，在塑性變形的過程中誘導(dǎo)了位錯(cuò)的交滑移運(yùn)動(dòng)， 從而提高了位錯(cuò)形核以及增值速率，增大了位錯(cuò)的密度，最終導(dǎo)致塑性的提高。該發(fā)現(xiàn)是一種全新的合金強(qiáng)韌化手段， 叫做“異常間隙強(qiáng)韌化”， 為合金體系提供了一種同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的新途徑。

 

4.2基于最低晶格錯(cuò)配與高密度納米析出相提高鋼的強(qiáng)塑性（Nature）基于晶格錯(cuò)配和高密度納米析出的理念，設(shè)計(jì)并制備出超高強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼?；w為BCC結(jié)構(gòu)的馬氏體，納米沉積相則為有序的B₂粒子，粒子與基體呈共格關(guān)系，基體內(nèi)部的馬氏體有較高的位錯(cuò)密度。在共格的界面上AL原子被Fe原子替代。共格界面的晶格錯(cuò)配度非常低，有效的降低了粒子與基體之間的彈性錯(cuò)配能，增加了位錯(cuò)的相互作用。這樣整個(gè)系統(tǒng)具有很高的位錯(cuò)密度和B₂粒子體積分?jǐn)?shù)，從而造成了有序強(qiáng)化，“有序效應(yīng)”作為主要強(qiáng)化機(jī)制，有效阻礙位錯(cuò)對(duì)增強(qiáng)相顆粒的切過作用。又因為B₂粒子在基體中分布很均勻，有效的減少了塑性變形過程中的應(yīng)力集中，同時(shí)粒子與位錯(cuò)的彈性相互作用大大減小，從而阻礙了裂紋的形核，提升了塑性。

 

5. Sang-Heon Kim在鋁合金中引入B₂相粒子（nature）

在高含鋁低密度鋼中引入了納米級(jí)尺寸的硬金屬間化合物 B₂ 粒子（一種 FeAl 型的硬脆中間化合物），發(fā)現(xiàn)該粒子不易被移動(dòng)的位錯(cuò)剪切。即使在大的加工硬化條件下， B₂ 粒子的性能非常均衡，即使在超過 1GPa 的屈服強(qiáng)度下，仍然具有很高的加工硬化率， 同時(shí)具有很高的塑性.

 

6. Yinmin Wang巧妙設(shè)計(jì)雙峰組織（nature）

Johns Hopkins大學(xué)的科學(xué)家Yinmin Wang等人設(shè)計(jì)了一種“雙峰組織”，通過控制晶粒尺寸大小， 利用小的納米晶粒提供強(qiáng)化作用，較大的納米晶或超細(xì)晶提供儲(chǔ)存位錯(cuò)的能力， 實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度-塑韌性的同時(shí)提高[7]。不難發(fā)現(xiàn)“雙峰組織”機(jī)制對(duì)于塑韌性的提升仍然以強(qiáng)度的犧牲為代價(jià)，本質(zhì)上仍未改變強(qiáng)度-塑/韌性的矛盾關(guān)系，不過其設(shè)計(jì)思想比較巧妙，實(shí)際中需要正確的掌握引入較大晶粒數(shù)量的“度”.

 

參考文獻(xiàn)：[1] K. Lu, L. Lu, S. Suresh. Strengthening Materials by Engineering Coherent Internal Boundaries at the Nanoscale. SCIENCE VOL 324 17 APRIL 2009[2] H. Fang, W. L. Li, N. R. Tao, K. Lu. Revealing Extraordinary Intrinsic Tensile Plasticity in Gradient Nano-Grained Copper；Science 2011.[3] High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K. Wang, H. W. Luo, M. X. Huang. Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan0177[4] L.Liu, Qin Yu, Z.wang et al. Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination, Science, 2020[5] Dual-phase nanostructuring as a route to highstrength magnesium alloys.  Ge Wu, Ka-Cheung Chan, Linli Zhu, Ligang Sun & Jian Lu. DOI：10.1038/nature21691[6] Enhanced strength and ductility in a high-entropy alloy via ordered oxygen complexes，Zhifeng Lei, Xiongjun Liu, Tai-Gang Nieh & Zhaoping Lu et al, Vol 464|8 April 2010|doi:10.1038/nature08929, nature[7] Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation. Suihe Jiang, Hui Wang, Yuan Wu1 et al .Nature，2017，DOI：10.1038/nature22032[8] High tensile ductility in a nanostructured metal. Wang YM, Chen MW, Zhou FH, Ma E.Nature 2002;419;912-15.
[9] Brittle intermetallic compound makes ultrastrong low-density steel with large ductility[J].S H Kim, H Kim, N J Kim. Nature, 2015, 518(7537):790-784本文由虛谷納物供稿。