中国科学院金属研究所最新Science

粗晶粒材料被广泛接受，具有最高的应变硬化和最佳的拉伸延展性。

2023年9月14日，中国科学院金属研究所卢磊团队（第一作者为潘庆松）在Science 在线发表题为“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell-structured alloy”的研究论文，该研究报道了在77开尔文下，在具有梯度位错单元的稳定单相合金中，在整个变形阶段具有吸引人的应变硬化速率，甚至超过了粗晶对应物。

与传统的理解相反，异常的应变硬化源于一种独特的动态结构细化机制，这种机制是由大规模多取向微小堆垛断层（平面缺陷）的发射和运动促进的，这与传统的线性位错介导的变形有着根本的不同。原子级平面变形断层在塑性变形中的主导地位引入了一种不同的方法来强化和硬化金属材料，提供了有希望的性能和潜在的应用。

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应变硬化，也称为加工硬化，可以追溯到青铜时代，是最早广泛使用的强化金属材料的策略。传统上，应变硬化是由于典型线性缺陷（即位错）的数量显著增加，以及它们在晶格中的相互作用，这反过来倾向于逐渐降低位错迁移率。因此，必须施加更大的应力，以便可能发生额外的变形。

一般来说，软粗晶（CG）金属表现出最高的应变硬化和最佳的拉伸延展性，这是由于位错运动和储存的充足空间和最大自由路径。结晶固体中的位错—位错相互作用产生局部位错缠结，并最终形成位错图案的三维网络（即细胞壁），其中进一步变形变得困难。特别是，固有的热辅助位错恢复和湮灭过程逐渐取代，导致微米或亚微米尺度的亚结构尺寸逐渐饱和，硬化速率随应变增加而普遍下降。

应变硬化的减少在高强度材料中变得更加明显。传统的强化方法，无论是通过改变成分还是修改分级微观结构，总是建立在通过在晶格中加入各种缺陷来阻止位错运动的基本原理之上，但不可避免地会降低应变硬化能力。例如，含有大块晶界（GBs）的纳米结构金属材料和含有高密度位错的严重变形材料具有显著提高的强度，但表现出显著降低的应变硬化和有限的均匀延展性，低至百分之几。应变硬化是必不可少的，因为它能有效地分散流动应变，增强拉伸延展性，并抑制灾难性的机械故障。然而，高强度金属材料应变硬化的实质性改进一直是上个世纪材料科学最棘手的问题之一。

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梯度位错组织(GDS)合金的典型显微组织（图源自Science ）

降低变形温度显著提高了应变硬化，这主要是由于位错活性的增强，例如各种材料的动态恢复和/或湮灭的降低以及相应的位错储存速率的增加。当应变硬化以这种方式改善时，变形孪晶和相变可以作为低温下晶体塑性的第二载体。这种情况对于具有低堆垛层错能（SFE）的传统单主元素合金和最近开发的高至中等熵或多主元素（MPE）合金系统尤其重要。新形成的界面与位错之间的动态相互作用有助于在一定应变范围内获得合理的应变硬化能力。从本质上讲，位错仍然是所有金属材料在低温下塑性变形的主导因素。

先前的研究表明，工程空间异质纳米结构包含梯度、双峰晶粒尺寸、多相等。与它们的均匀成分相比，可能表现出额外的应变硬化，因为大的塑性应变不相容性诱导了几何必需位错的额外活性。然而，观察到的应变梯度硬化倾向于仅在小塑性应变阶段保持（<5%），并且在大应变阶段下降，甚至在低温下也是如此。

该研究指出了一种不寻常的应变硬化机制，这种机制很容易由在低温下具有梯度位错结构的单一FCC相MPE合金中形成极其精细的SFed镶嵌而触发，使其具有前所未有的高应变硬化能力，甚至超过其CG对应物。这种动态SFed镶嵌诱导的低温应变硬化机制呼应了早期的SF诱导塑性的结果，以及GDS合金在室温下的优异强度和延展性。显然，与线性位错相比，晶格中潜在的主导原子级平面变形断层活动不仅是晶体塑性的替代基本载体，而且还诱导了强烈的应变硬化。梯度位错结构和纳米尺寸SFs镶嵌的特征对于从物理冶金学中理解基本的应变硬化机制非常重要，并为开发强韧性材料提供了不同的范式，特别是对于广泛的低温应用，如深空和海洋探索、液化天然气储存、低温物理等。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj3974

转自：“iNature”微信公众号

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