中科院沈阳金属所&美国布朗大学今日Science：梯度纳米孪晶金属强度和硬度的同步增强

【前言】

梯度结构普遍存在于天然材料中，如骨头、贝壳和树木。微结构梯度正越来越多地被引入到各种工程材料中，通过不同于无梯度对等体的变形机制，为材料提供更高的强度、硬度、加工硬化、延展性和抗疲劳性。然而，理解包括工程材料在内的所有梯度结构中与结构梯度相关的力学行为一直是一项挑战。

尽管结构梯度的控制对于获得优化的机械性能至关重要，但是现有的制造方法限制了块体梯度材料。例如，表面加工和机械处理会产生仅位于表面附近的有限的梯度层，或者产生沿梯度方向可忽略的结构梯度。所有这些都限制了我们调控机械性能和理解梯度结构金属变形机制的能力。

【成果简介】

今日，来自美国布朗大学的Huajian Gao和中科院沈阳金属所的卢磊研究员（共同通讯）联合在Science上发文，题为“Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals”。作者研究了纯铜中具有高度可调结构梯度的梯度纳米孪晶结构的机械性能。较大的结构梯度允许优异的硬度和强度，机械性能优于梯度结构中的任一组分。作者通过系统实验和原子模拟发现，这种不寻常的行为是由晶粒内部超高密度位错的独特图案提供的。这些观察结果不仅揭示了梯度结构，也可能为通过梯度设计改善材料的机械性能指明了一条有希望的途径。

【图文导读】

图1. 典型的GNT样品GNT - 1的微结构和结构梯度

图2. GNT结构的机械性能

图3. GNT - 4在1 %应变下的变形微结构

图4. 大规模原子模拟的GNT强化和相关变形机制

【总结】

在作者简单的自下而上的方法中，在纯Cu中创建梯度纳米孪晶结构，大的结构梯度允许高强度和硬度的完美结合，机械性能优于梯度结构中的任一组分。实验和计算证据都表明，用可调结构梯度覆盖整个结构对于晶粒内部高密度位错的发展非常重要。这项工作中作者提出的梯度纳米孪晶强化概念为结合不同长度的结构梯度以推进材料的强度极限提供了深刻的见解，对于创造下一代既具有高强度又具有高延展性的金属来说，这可能是必不可少的。

文献链接：Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals, (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aau1925)

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