長期以來，基于位錯(cuò)理論的晶體材料應(yīng)變硬化被視為現(xiàn)代凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域里最重要且棘手的科學(xué)問題之一。其重要性源于提高應(yīng)變硬化可同時(shí)提高材料強(qiáng)度和塑性；而其棘手性在于應(yīng)變硬化涉及宏量應(yīng)變載體（位錯(cuò)）的增殖、交互作用、湮滅、重排等極其復(fù)雜的動態(tài)演變過程，且存儲位錯(cuò)的飽和密度依賴于微觀結(jié)構(gòu)。普遍認(rèn)為粗晶中位錯(cuò)存儲空間大而具有最強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力。諸多強(qiáng)化策略可有效提升材料強(qiáng)度，但不可避免會降低位錯(cuò)存儲密度而顯著降低其加工硬化，低溫變形亦是如此。追蹤溯源，應(yīng)變硬化能力的降低是造成結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度-塑性/韌性等性能倒置的根本原因。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊研究員團(tuán)隊(duì)在這一科學(xué)難題方面取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果于2023年9月14日在《科學(xué)》(Science)周刊First Release在線發(fā)布。
具有空間梯度序構(gòu)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的合金在低溫拉伸變形時(shí)不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，而且表現(xiàn)出超高的應(yīng)變硬化能力，其應(yīng)變硬化率甚至超過粗晶(圖1)，顛覆了粗晶結(jié)構(gòu)具有最高加工硬化能力的固有認(rèn)識。這種低溫超高應(yīng)變硬化源于多滑移原子尺度層錯(cuò)束萌生主導(dǎo)的動態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)化。細(xì)化形成的亞十納米層錯(cuò)疇既能顯著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動又能高效存儲更高密度的位錯(cuò)(圖2)。空間梯度序構(gòu)、位錯(cuò)胞本征結(jié)構(gòu)以及低溫環(huán)境協(xié)同激發(fā)了超高密度二維平面層錯(cuò)疇主導(dǎo)的應(yīng)變硬化完全不同于位錯(cuò)、孿生及相變等傳統(tǒng)應(yīng)變硬化機(jī)制。
這是本團(tuán)隊(duì)繼發(fā)現(xiàn)梯度納米孿晶金屬的額外強(qiáng)化與加工硬化(Science, 2018)、梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)塑性(Science, 2021)之后，又一次發(fā)現(xiàn)梯度序構(gòu)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)可激活原子尺度多滑移層錯(cuò)實(shí)現(xiàn)晶體低溫超高應(yīng)變硬化。該發(fā)現(xiàn)發(fā)展了晶體材料的應(yīng)變硬化理論，為研發(fā)高性能金屬材料及其極端環(huán)境應(yīng)用提供了新機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
該工作美國學(xué)者在同步輻射X射線表征、中國科學(xué)院力學(xué)研究所武曉雷研究員團(tuán)隊(duì)在低溫力學(xué)性能、金屬所陶乃镕研究員在結(jié)果分析討論方面做出重要貢獻(xiàn)；潘慶松研究員(青促會會員)為論文第一作者。該工作獲得國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項(xiàng)目資助。
圖1 梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(GDS)合金及其典型低溫力學(xué)行為。 (A)狗骨頭棒狀宏觀拉伸樣品；(B) 樣品截面示意圖，顯示自表(深藍(lán)色)及芯(淺灰色)梯度結(jié)構(gòu)分布；(C) 梯度位錯(cuò)管狀樣品標(biāo)距段三維X-射線重構(gòu)形貌(管壁厚度~0.45 mm )；(D) GDS, 管狀GDS和粗晶的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 (E) 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (F) 均勻塑性與歸一化抗拉強(qiáng)度曲線, 表明梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)合金的優(yōu)異低溫綜合力學(xué)性能。
圖2 梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)表層77 K拉伸結(jié)構(gòu)演變特征。拉伸應(yīng)變3%時(shí)截面SEM (A) 和TEM (B) 結(jié)果，晶粒內(nèi)不同滑移面上相互交割的層錯(cuò)束穿過多個(gè)位錯(cuò)胞；(C) 對應(yīng)的HAADF-STEM結(jié)果表明層錯(cuò)束包含超高密度的層錯(cuò)和孿晶結(jié)構(gòu)。拉伸應(yīng)變40%時(shí)截面SEM (D-E) 和TEM (F) 結(jié)果，晶粒內(nèi)已產(chǎn)生高密度細(xì)化結(jié)構(gòu)-納米層錯(cuò)疇；(G) 對應(yīng)的HAADF-STEM結(jié)果表明位錯(cuò)胞被極小層錯(cuò)疇進(jìn)一步細(xì)化；(H) 77 K拉伸變形過程中由原始位錯(cuò)胞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏葋喪{米層錯(cuò)疇的動態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)化示意圖。
