金屬所揭示納米金屬的本征拉伸塑性和變形機制

 zui近，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)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(fā)現(xiàn)，梯度納米（GNG）金屬銅既具有*的屈服強度又具有很高的拉伸塑性變形能力。這種兼?zhèn)涓邚姸群透呃焖苄缘膬?yōu)異綜合性能為發(fā)展高性能工程結(jié)構(gòu)材料開辟了一條全新的道路。該研究成果發(fā)表在美國《科學》（Science）雜志上（2月17日在線）。

工程結(jié)構(gòu)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材料領(lǐng)域中的一項重大科學難題。

梯度納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)（晶粒尺寸為幾十微米），這種梯度納米結(jié)構(gòu)的厚度可達數(shù)百微米。梯度納米結(jié)構(gòu)層具有很高的拉伸屈服強度，zui外表層50μm厚梯度納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的表層在拉伸真應(yīng)變高達100%時仍保持完整未出現(xiàn)裂紋，表明其拉伸塑性變形能力優(yōu)于粗晶銅。這種優(yōu)異的塑性變形能力源于梯度納米結(jié)構(gòu)*的變形機制，微觀結(jié)構(gòu)研究表明，梯度納米結(jié)構(gòu)在拉伸過程中其主導變形機制為機械驅(qū)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(tǒng)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(lián)合）實驗室發(fā)展的一種制備梯度納米結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，其制備工藝簡單，適宜工業(yè)應(yīng)用。這種新技術(shù)的發(fā)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(yè)應(yīng)用及材料表面工程技術(shù)的發(fā)展有重要促進作用。