鱼与熊掌不可兼得，高强高韧金属材料路在何方？

2022-10-19 03:10

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如何提高材料的强度而不损失其塑/韧性是当今发展高性能金属材料亟待解决的关键科学问题，也是材料学家长期面临的重大挑战。过去十余年的研究表明，梯度纳米结构可有效解决材料强度-塑性倒置窘况。

《国家科学进展》（National Science Open, NSO）创刊号发表了中国科学院金属研究所卢磊研究员、潘庆松研究员撰写的题为“Synthesis and deformation mechanics of gradient nanostructured materials”的Perspective文章，分析了梯度纳米结构领域的研究现状、发展机遇与挑战。

提高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心问题。传统强化策略往往强调引入均匀分布的高密度缺陷（点缺陷、线、面及体缺陷等），而很少关注缺陷的空间分布。受自然界天然材料因组织结构空间分布而彰显优异综合性能的启发，科学家提出利用纳米结构的空间构筑来强韧化金属的新思路。迄今为止，梯度纳米结构已发展成为了金属材料领域的研究热点和前沿方向。

在这篇观点文章中，作者提出梯度纳米结构应具有的三个关键结构特征：(1) 微观结构单元，如晶粒、层片、孪晶、位错组态、相等均可作为多元化结构单元；(2) 结构单元尺寸在空间上连续或非连续梯度有序变化，可分布于表面或整个样品，呈现单调、对称以及周期分布等特征；(3) 最小结构单元尺度应尽可能小（达纳米量级，go to nano)且稳定，仅当结构梯度足够大时，结构单元间的耦合、协同效应才可主导变形，进而产生增强、放大甚至激发全新变形机制，从而突破结构单元本身的局限而产生超越或者全新的性能。

梯度纳米结构材料中的结构单元和空间分布形式

作者总结了多种梯度纳米结构金属的制备工艺及其局限性和优势。例如控温电解沉积技术和小角度往复扭转梯度塑性变形技术可实现双梯度纳米孪晶和梯度位错结构的定量可控制备。随结构梯度增加，梯度纳米孪晶结构的强度和加工硬化率同步提高，甚至可超过其最强结构单元的强度。强结构梯度约束使梯度纳米孪晶结构产生大量的位错富集束，而梯度位错结构中则激活了由不全位错--层错诱导的塑性变形机制，正这些全新、独特的变形机制主导了梯度纳米结构的额外强化/硬化和优异强度-塑性匹配。

最后，作者展望和评述了制约梯度纳米结构金属发展和应用所面临的主要挑战和未来的发展方向。应该指出，虽然梯度纳米结构金属彰显出优异的综合力学性能，但由于微观结构/空间构筑类型的多样性和复杂性，有关其结构-综合力学性能和变形机制的系统研究和理解仍处在起步阶段。如何建立梯度纳米结构金属的多尺度结构特征与力学行为的构效关系以及发展高效、低成本的可控规模化梯度纳米结构金属的制备技术将是未来纳米结构金属材料领域发展的重点，也是新一代高性能纳米结构金属材料发展和能否实现应用的关键。

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