金屬所揭示納米金屬的本征拉伸塑性和變形機制

　　最近，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧柯研究組在提高納米金屬的塑性和韌性方面取得重要突破。他們發現，梯度納米（GNG）金屬銅既具有極高的屈服強度又具有很高的拉伸塑性變形能力。這種兼備高強度和高拉伸塑性的優異綜合性能為發展高性能工程結構材料開辟了一條全新的道路。該研究成果發表在美國《科學》（Science）雜志上（2月17日在線）。

　　工程結構材料的理想性能通常是高強度和高韌塑性，然而，強度與韌塑性往往不可兼得。高強材料的塑性往往很差，而具有良好塑性的材料其強度很低。納米金屬材料（即晶粒尺寸在納米尺度的多晶金屬）是一種典型的高強材料，其強度比普通金屬高一個量級，但其幾乎沒有拉伸塑性。如何提高納米金屬的塑性和韌性成為近年來國際材料領域中的一項重大科學難題。

　　梯度納米結構是指晶粒尺寸在空間上呈梯度分布。盧柯研究組利用表面機械碾磨處理（SMGT）在純銅棒材表面成功制備出梯度納米結構，自表及里晶粒尺寸由十幾納米梯度增大至微米尺度，棒材芯部為粗晶結構（晶粒尺寸為幾十微米），這種梯度納米結構的厚度可達數百微米。梯度納米結構層具有很高的拉伸屈服強度，最外表層50μm厚梯度納米結構的屈服強度高達660MPa（是粗晶銅的10倍）。室溫拉伸實驗表明，具有梯度納米結構的表層在拉伸真應變高達100%時仍保持完整未出現裂紋，表明其拉伸塑性變形能力優于粗晶銅。這種優異的塑性變形能力源于梯度納米結構獨特的變形機制，微觀結構研究表明，梯度納米結構在拉伸過程中其主導變形機制為機械驅動的晶界遷移，從而導致伴隨的晶粒長大。這種變形機制與位錯運動、孿生、晶界滑移或蠕變等傳統的材料變形機制截然不同。

　　表面機械碾磨處理是近年來中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室發展的一種制備梯度納米結構的新技術，其制備工藝簡單，適宜工業應用。這種新技術的發展不但推動了梯度納米金屬的基本性能研究，也對高性能梯度納米表層材料的工業應用及材料表面工程技術的發展有重要促進作用。

　　圖A是納米梯度/粗晶樣品拉伸斷裂后縱截面觀察；圖B是圖A中位置B處（真應變24%）的掃描電鏡照片。圖C與D分別是圖A中位置C（真應變54%）和D處（真應變127%）的EBSD圖像。圖B-D顯示的是納米晶粒經不同拉伸應變后發生的晶粒長大。