對(duì)鋼材而言，強(qiáng)度和韌性是衡量品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，但兩者卻總是魚與熊掌不可兼得，只能根據(jù)需要選取一個(gè)折衷方案。中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員魏宇杰和他的研究團(tuán)隊(duì)探索出有效的材料制備方法，實(shí)現(xiàn)了孿晶鋼材料變形中的梯度多層次孿晶結(jié)構(gòu)，大幅度提升孿晶鋼材料的強(qiáng)度且不損失其拉伸韌性，相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然-通訊》上。
對(duì)于同一類材料，尤其是金屬材料，它們的強(qiáng)度與韌性之間是對(duì)立的，類似于我們常說的熊掌與魚的關(guān)系（見圖1）。這一對(duì)立關(guān)系，是由于材料內(nèi)在的微觀結(jié)構(gòu)和變形機(jī)理導(dǎo)致的，如何設(shè)計(jì)并控制材料微觀結(jié)構(gòu)，激活所希望的變形機(jī)理，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與韌性兩者兼得，是科研人員長期追求的目標(biāo)。對(duì)鋼鐵而言，考慮到它巨大的使用范圍，更是重點(diǎn)研究方向。最近幾年出現(xiàn)的孿晶鋼（TWIP），由于其韌性好，受到了廣泛的關(guān)注，尤其是交通行業(yè)，因?yàn)楹玫捻g性變形能在事故過程中將大量的沖擊帶來的能量耗散在材料變形過程中，從而提高安全性。其缺點(diǎn)是強(qiáng)度太低，導(dǎo)致疲勞壽命（能承受的循環(huán)載荷的次數(shù)）低。
受文獻(xiàn)中高速碾磨后具備納米結(jié)構(gòu)表層的銅金屬所展現(xiàn)的優(yōu)異力學(xué)性能的啟發(fā)，中科院力學(xué)所、上海大學(xué)、北京科技大學(xué)、浙江大學(xué)和布朗大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)探索出有效的材料制備方法，實(shí)現(xiàn)了孿晶鋼材料變形中的梯度多層次孿晶結(jié)構(gòu)，大幅度提升孿晶鋼材料的強(qiáng)度且不損失其拉伸韌性。通過預(yù)加的扭轉(zhuǎn)變形，首先在孿晶鋼中實(shí)現(xiàn)了孿晶密度梯度（如圖2所示）。由于孿晶界面是原子在某一個(gè)排列方向的鏡面對(duì)稱面，原子高度有序排列，這類具備孿晶密度的鋼材在之后的拉伸變形中強(qiáng)度顯著提高，而韌性沒有變化。更為重要的是，這一材料制備方法簡潔有效、不受材料尺寸的限制。這些特點(diǎn)使得這一研究具有很高的實(shí)用價(jià)值，能廣泛應(yīng)用于需要增強(qiáng)的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如軸承、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)，服務(wù)于汽車、高速鐵路等行業(yè)。
實(shí)現(xiàn)大幅度強(qiáng)度提升且不損失材料拉伸韌性的原因在于材料經(jīng)過預(yù)加的扭轉(zhuǎn)變形之后形成的孿晶密度梯度，使得材料由里至外，強(qiáng)度線性增加，這種表面強(qiáng)，內(nèi)部弱的同類材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度由各處的體積平均決定。孿晶密度梯度也使得材料在塑性過程中維持較高的硬化（隨著材料塑性變形而需要增加載荷以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步變形的現(xiàn)象），這一硬化特點(diǎn)能有效防止變形局部集中導(dǎo)致的材料破壞。
更為重要的是，由于預(yù)處理中孿晶密度梯度的存在，后續(xù)的拉伸變形使得材料內(nèi)部形成梯度多層次孿晶結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，在不同的材料處理和變形階段，晶體內(nèi)在的不同孿晶與位錯(cuò)系統(tǒng)被激活，使得變形在微觀層次趨于均勻分布，同時(shí)維持材料宏觀上的應(yīng)變硬化，阻止材料的塑性變形局域化。
該工作在線發(fā)表在4月1日的《自然-通訊》雜志上（魏宇杰，李永強(qiáng)，祝連春，劉垚，雷現(xiàn)奇，王剛，吳彥欣，米振莉，劉嘉斌，王宏濤，高華健. Evading the strength-ductility trade-off dilemma in steel through gradient hierarchical nanotwins, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms4580, 1 April 2014）。相應(yīng)的材料處理方法已申請(qǐng)國家專利（專利申請(qǐng)?zhí)朇N103290183A）。
該研究工作受到了中國科學(xué)院、科技部“973”計(jì)劃以及國家自然科學(xué)基金委等機(jī)構(gòu)的資助。
圖1 典型鋼材的韌性隨強(qiáng)度增加而降低的趨勢(shì)
圖2 掃描電鏡圖表明預(yù)扭轉(zhuǎn)處理后的材料沿徑向形成孿晶梯度。（a）到(c): 從試樣的中心位置沒有孿晶到試樣的表面位置具備高密度孿晶。（d）電子背散射衍射顯示的(c)的掃描結(jié)果，顯示條帶狀變形為孿晶。（e）孿晶寬度在納米量級(jí)。(f)孿晶界面非常規(guī)則。
圖3 掃描電鏡圖表明預(yù)扭＋拉伸變形后材料內(nèi)部形成多級(jí)孿晶結(jié)構(gòu)。紅、藍(lán)、綠箭頭分別代表主孿晶、次生孿晶、三層孿晶。
