【NS精读】让金属材料拥有优异性能的微结构设计—梯度纳米结构

相对于传统金属材料，梯度纳米金属展现出了非常优秀的力学性能，是一类前途光明的新型材料。7月8日，清华大学李晓燕，中科院沈阳金属研究所卢磊研究院等人在材料学科顶刊《Nature reviews materials》杂志发表了关于梯度纳米金属合金的力学性能及变形机理的综述性文章，该论文全面总结了纳米梯度金属材料的制备，力学性能，变形机理以及未来的发展方向，下面笔者就带大家精度这篇文献。

1.梯度纳米金属材料的制备和组织结构特征

经过二三十年的研究，科学家已经发明了很多梯度那米金属材料的制备方法，其主要包括：表面机械处理（例如表面摩擦），累积叠轧，激光冲击，物理化学沉积，磁控溅射和3D打印。其中表面机械处理时最常用的方法，图1位典型的表面机械处理的方法。

图1 表面机械处理方法，a表面机械摩擦处理(SMAT)是对板状试样进行表面机械摩擦处理的一种方法；b：表面机械磨削处理(SMGT)用于处理圆柱形样品；c：表面机械轧制处理(SMRT)用于处理圆柱形样品。

梯度金属合金的微观组织表现为晶粒的尺寸呈现梯度分布，沿某一方向由小变大或者由大变小。这种梯度组织分布非常有规律，图2位典型的梯度纳米金属的微观结构的扫描，透射照片。

图2 梯度纳米晶、梯度纳米片层和梯度纳米孪晶金属的微观结构，a梯度纳米晶铜的扫描电子显微镜(SEM)图像显示，随着深度的增加，晶粒尺寸增大。右边是不同深度颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像；b梯度纳米胺化镍的微观结构的SEM图像显示了三个不同的具有纳米结构(NS)的区域，超微晶粒(UFG)和超层结构(UFL)随深度的增加而增加，右边为不同深度的透射照片；c梯度纳米孪晶铜的微观结构SEM图像显示，随着深度的增加，晶粒尺寸和孪晶厚度逐渐减小。右边是不同深度的颗粒和孪晶的TEM图像。

2.力学性能

之前许多研究都显示梯度纳米金属材料具有良好的强塑性协调能力，非凡的加工硬化，超好的疲劳性能和优异的耐摩擦，剪切和腐蚀性能。如图3所示，与传统金属材料相比，梯度那米金属材料的力学性能更加优异。图4则全面比较了梯度纳米金属材料与传统材料的疲劳和剪切行为，可以看出，梯度纳米金属的力学性能分成出众。

图3 梯度纳米结构和均质金属及合金力学性能的比较，a具有纳米晶粒、纳米双晶和梯度纳米结构的各种金属和合金的归一化屈服强度与均匀延伸率的比较；香蕉形实体曲线表示常规金属和合金的强度延展性的平衡，虚线表示梯度纳米晶、均匀纳米孪晶(NT)和多层微观结构的强度延展性极限；b 在粗晶(CG)、纳米晶(NG)和GNG Ni中，加工硬化速率随真应变的变化；c梯度纳米孪晶(GNT)和NT Cu的加工硬化速率随真应变的变化；d CG钢和GNG钢的加工硬化速率随真应变的变化。这些图显示了梯度纳米结构金属和合金的强度-延性协同和特殊的加工硬化。

图4 梯度纳米结构和均匀金属及合金疲劳和摩擦行为的比较。a 疲劳寿命(Δσ/ 2,σ是压力)在梯度nanograined (GNG)和粗粒度(CG)铜依赖的外加应力振幅关系；b在总应变振幅为(Δεt / 2) 0.29%和0.5%的GNG和CG铜的循环应力反；c纳米孪晶钢和CG钢铁应疲劳裂纹增长率(da / dN,裂纹长度和N周期数)作为应力强度因子范围的函数(ΔK)；dCG、纳米晶粒(NG)和GNG铜合金滑动后的表面形貌。

3.变形机理

梯度纳米金属材料独特的微观结构导致其在变形时呈现出独特的变形机制，目前为止发现的变形机制包括形成塑性应变梯度，独特的位错机构，不均匀变形诱导的应力，晶粒粗化和各种机理之间的协同作用。图5包含了各种变形机理及其相互之间的联系。

图5 梯度纳米结构金属和合金的变形机理。a由A、B和C组成的梯度纳米颗粒(GNG)结构模型;晶粒尺寸从顶部和底部到中心逐渐增大；bGNG金属及其构件A、B、C的拉伸应力-应变曲线显示构件在I、II、III和IV四个典型变形阶段的逐步屈服；c板B中A、B、C三个分量的应变从I阶段到IV阶段的演化。e和p分别代表弹性和塑性应变。e+p表示弹塑性应变共存；d和e采用有限元模拟方法计算了二维GNG Cu试样在单轴拉应力和塑性应变作用下的截面轴向拉应力和塑性应变分布，结果表明，应力和塑性应变梯度源于粒度梯度，是梯度应力和塑性应变场的递进发展；f几何必要位错(GNDs)的分布说明;用近晶界(GBs)表示，在塑性变形的GNG结构中；g形变梯度纳米孪晶铜的透射电子显微镜图像在晶粒和孪晶尺寸上具有双重梯度。红色箭头表示一束集中的位错；h和Ig图中白色方格区域的TEM图像；k应力-应变卸载-重新加载的GNG样品；l和m在室温下5%和25%不同拉伸应变下GNG Cu顶表面的TEM图像，表明由于塑性变形下GB迁移导致晶粒均增粗；oGB偏移与剪切变形耦合

4.未来展望

作为一种新兴的纳米结构材料，GNS金属和合金获得了优异的力学性能，这在同类材料中是不可能的。这些力学性能源于梯度微观结构，其中许多不均匀的塑性变形机制被激活，包括多种变形特征和机制，包括明显的应变梯度，新的位错活动和机械驱动晶粒粗化。虽然GNS金属和合金的制造和力学已经取得了一些进展，但仍有许多关键问题需要解决。在此，作者强调了GNS材料进一步发展和创新的一些关键问题和挑战(图6)。

图6 梯度纳米结构金属和合金的开放问题和挑战。受梯度纳米材料领域近年来快速发展的启发，总结了梯度纳米材料发展中存在的问题和挑战。有些问题也更普遍地适用于非均质纳米结构材料

参考文献：

Xiaoyan Li , Lei Lu, Jianguo Li , Xuan Zhang and Huajian Gao，Mechanical properties anddeformation mechanisms of gradientnanostructured metals and alloys，Nature reviews materials，2020.

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41578-020-0212-2

本文由虚谷纳物供稿。

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