卢柯院士重大原创性成果：梯度材料如何同时强韧化材料

许多生物材料在局部化学组成或成分以及结构特征上表现出空间梯度，这样的空间梯度提高了生物材料的力学性能并赋予一定功能。为了优化力学性能，梯度结构被引入到金属工程材料中。但在如何合成这种具有空间梯度的金属材料，一直充满着挑战。从结构的提出到实验室的成功合成，该过程经历了10年之久。第一个成功合成梯度结构金属材料的是我国沈阳金属研究所的卢柯院士，并将成果发表在了Science期刊上，继而后来引发了全世界的科研浪潮。

1. 获得梯度材料的工艺

目前为止，合成梯度金属材料的方法主要工艺主要为：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；d：高压扭转变形，是目前应用最多的方法之一。这些方法造成的梯度诱导了孪晶，位错以及层错能的梯度。微观的结构差异改变了宏观的力学性能（主要是非均匀的变形行为引起）。纳米晶区强度大，粗晶区延性好，二者的协同作用促进了金属材料的高强度和高延性。

2. 梯度材料的强韧化机理

梯度晶体结构是一种打破强塑性同时掣肘的很好地方法。TRIP和梯度结构结合使得奥氏体钢的塑性增加，但是强度维持不变。梯度结构结合TWIP可以同时提高材料的强塑性。纳米晶金属塑性差的主要原因是缺乏加工硬化行为，从而导致早期应变局部化和失效。梯度结构可以抑制应变局部化的早期发生。因为梯度结构改变了变形机制，机械驱动纳米晶粒生长。梯度结构具有弹塑性均质性和塑性非均质性，从而形成宏观应变梯度。由于不兼容的变形，应变梯度将单轴应力转变为多轴应力。从粗粒度区域可以实现应变去局部化域和加工硬化。因此，特殊的应力分布可能会增强位错的形核和扩展，并导致额外的应变硬化。

梯度材料单轴变形柯分为三个阶段：1）梯度晶体材料弹性变形；2）中心粗晶层开始变形，但是纳米表面层仍然弹性变形；这种不相容性使单轴应力转变为双轴应力；同时存在两个弹塑性界面，并随外加应变的增加而向表面移动。出现应力应变梯度，形成协同强化和背应力，提高屈服强度。3）粗晶层和纳米晶层均可塑性变形，稳定的颈缩首先发生在纳米颗粒层中。然而，颈缩受到稳定的粗粒度层的约束。颈缩层与中心稳定层的界面附近出现陡峭的应变梯度，通过必要的几何位错和背应力的积累促进应变硬化能力。此外，颈缩/稳定界面从表面向中心层迁移，伴随着高密度位错的积累，提高了应变硬化速率，从而提高了梯度晶材料的延性。在梯度结构中，粗晶层中的位错诱导硬化和纳米层中的晶界迁移诱导软化同时激活。巨大的应变硬化能力主要来源于梯度层中由于不均匀变形产生的大量几何必须位错。梯度组织的应变硬化速率可与粗晶组织相当。利用纳米晶粒优越的强度、粗大晶粒良好的塑性和梯度分布，实现了应变去局域化和额外应变硬化，发展了强韧性材料。

3. 重要文献

3.1 卢柯院士首次在《Science》杂志报道梯度铜

该文是卢柯院士在国际上第一次合成梯度金属材料并引起了国际间的极大关注与讨论。该文一经发表就引发了一股研究梯度材料的浪潮。通常纳米金属材料的强度很高，但是由于缺乏加工硬化行为，其塑性极差。该文通过表面塑性摩擦技术成功制备得了梯度铜，其显微结构为中心部位的粗晶层，越往表层晶粒越细，在距离表面深度为150um范围内存在纳米梯度层。拉伸性能测试显示合成的梯度铜具有10倍于粗晶铜的强度，其塑性基本保持不变。研究发现机械力驱动梯度层中晶粒的生长是主要的变形机理。这种变形机理导致梯度铜在具有高强度的同时还能维持很好的塑性。

图1 梯度纳米Cu材料的微观组织及其力学性能。A 拉伸试样的示意图；B和C拉伸实验的横截面部分，暗蓝色为梯度纳米层，蓝色为粗晶变形层，青蓝色为粗晶基体层；D为横截面的SEM照片；E为横截面的透射明场像；F表层5-mm深度中TEM测量的横向粒度分布；G平均晶粒大小随深度的变化（为粉线以上的图）；A粗晶铜和梯度纳米晶铜准静态拉伸工程应力-应变曲线；B：粗晶铜和梯度纳米晶铜拉伸前后测量的表面高度变化曲线[1]；

3.2 Yujie Wei等人在孪晶诱导塑性高锰钢中报道3次孪晶变形机制

通过高压扭转孪晶诱导塑性高锰钢（这种钢的力学性能特点是塑性高，抗拉强度高，但是屈服强度很低），使得合金内部沿着轴向形成梯度孪晶结构。此结构使得合金拉伸强度双倍增加而又不损失其塑性。结果表明，这种强度-塑性掣肘的规避是由于在预扭转和随后的拉伸变形过程中形成了梯度层次的纳米孪晶结构。通过一系列基于晶体塑性的有限元模拟，该文成功解释了为何梯度孪晶结构会导致合金强化和塑性保留，以及如何通过激活不同的孪晶体系而导致所观察到的层级纳米孪晶结构。

图2 分层孪晶结构及位错与形变孪晶间的相互作用；在拉伸后，给出了180°预扭试样最外层区域的原子尺度细节，并检查了位错和预先存在变形孪晶之间的相互作用；(a)从左上到右下的一级孪晶(粉红色箭头)，倾斜方向的二级孪晶(蓝色箭头)，与一级孪晶平行的二级孪晶之间的短三级孪晶(绿色箭头)。(b) HRTEM图像显示当二孪晶穿过一次孪晶，孪晶交汇开始形成；（c）(b)中的黄色矩形的放大图像，显示了初生孪晶和次生孪晶的晶格排列。(d) (b)中的黄色矩形‘d’的近视图，显示孪晶交汇附近的完全位错和不全位错；（e）孪晶界上有大量的部分位错；（f）（e）图中黄色矩形框的反傅里叶转变图像，表明其位错为1/6[-21-1]不全位错。

3.3 研究梯度材料加工硬化行为的经典论文

该文章可谓是研究梯度材料的经典，从理论上深度揭示了梯度材料的变形机制。主要报告了在工程材料(如金属)中的梯度结构会产生独特的额外应变硬化，从而导致高塑性。单轴拉伸下的晶粒尺寸梯度由于不相容变形沿梯度深度的演化而产生宏观应变梯度，将施加的单轴应力转化为多轴应力。从而促进了位错的积累和相互作用，导致额外的应变硬化，应变硬化速率明显上升。这种特殊的应变硬化是梯度结构所固有的，而不存在于均质材料中，它提供了一种迄今为止未知的策略，通过构筑非均质纳米结构来开发强韧性材料。

图3 硬化速率上升以及额外的应变硬化. A 工程应力应变曲线，应变速率为5*10^-4s^-1.CG代表均匀的粗晶样品；GS：代表梯度层，厚度约为120 μm：GS–CG：厚度为1mm的梯度-粗晶样品。NS：纳米金属样品. GS–CG⁺：在应变分别为0.05, 0.1, 0.15, 和 0.2的加载-卸载样品. B 应变硬化速率-真应变曲线；C维氏显微硬度(H) vs深度曲线；(D)不同拉伸应变后δ H (H增量)vs深度的曲线。

参考文献：

[1] T. H. Fang, W. L. Li, N. R. Tao, K. Lu. Revealing Extraordinary Intrinsic Tensile Plasticity in Gradient Nano-Grained Copper. Science 331 (2011) 1587–1590

[2] Yujie Wei, Yongqiang Li, Lianchun Zhu et al. Evading the strength–ductility trade-off dilemma in steel through gradient hierarchical nanotwins. Nat. Commun. 5 (2014) 3580

[3] XiaoLei Wu, Ping Jiang, Liu Chen et al. Extraordinary strain hardening by gradient structure. PNAS | May 20, 2014 | vol. 111 | no. 20 | 7197–7201

本文由虚谷纳物供稿。

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