盧磊&高華健團隊《Materials Today》：基元序構金屬新發現！織構梯度設計實現強度-塑性協同提升

長期以來，強度與塑性之間的倒置關系一直是結構金屬材料發展的共性瓶頸。基元序構設計策略為破解這一困境提供了全新思路：通過精確調控跨尺度基元的空間梯度排列，發揮基元間的協同效應，誘導塑性應變梯度，激發高密度幾何必需位錯，從而實現其綜合性能非線性提升。目前，多數序構金屬材料仍以尺寸梯度設計為主（如調控晶粒尺寸、孿晶片層厚度等），通過構建屈服強度梯度來形成塑性應變梯度以獲得強化。然而，這種梯度變形主要發生在塑性變形初期，難以在大應變條件下持續貢獻應變硬化與延伸率，因此強度-塑性倒置矛盾尚未根本破解。

近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心序構金屬材料研究部盧磊研究員團隊與清華大學高華健教授團隊合作，提出了一種全新的“織構梯度”設計策略，成功在層狀納米孿晶銅中實現了強度與塑性的協同提升。相關研究成果以“Texture-gradient engineering unlocks strength-ductility synergy in laminated copper”為題，4月10日發表于國際材料科學期刊《Materials Today》。

研究團隊采用電解沉積技術在納米孿晶純銅中構建了一種獨特的“三基元梯度”層狀結構，不僅包含晶粒尺寸和孿晶片層厚度梯度，還創新性地引入了織構（或晶體學取向）的梯度變化（見圖1）。織構梯度的加入使得梯度變形實現了從小應變到大應變的“接力”效應：尺寸梯度主要貢獻變形初期的應變梯度與強化；織構梯度則通過變形各向異性梯度產生側向應變梯度，且該梯度隨應變的增加而顯著增強。大應變下，所形成的應變梯度可激發超高密度的幾何必需位錯，甚至誘發罕見的退孿生行為并形成超細位錯胞，從而維持較高的應變硬化率，最終實現高強度與高延伸率的協同提升（見圖2）。

這一發現是本團隊繼揭示雙梯度納米孿晶結構額外強化與應變硬化效應（Science 2018）之后的又一次重要突破，表明在既有梯度基礎上引入織構梯度，可延長梯度變形階段，顯著提升應變硬化與延伸率，從而有效打破強度與延伸率之間的倒置困境。該成果進一步豐富了基元序構金屬強韌化的設計策略與力學原理，為發展下一代高性能金屬結構材料提供了具有普適性的設計準則。

該工作中，中國科學院金屬研究所程釗研究員、博士研究生柳林海以及南洋理工大學李智博士為論文共同第一作者，盧磊研究員與高華健教授為共同通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委、國家重點科技發展計劃、中國科學院全球共性挑戰專項等項目的資助。

圖1 三基元梯度納米孿晶（L-T）Cu的微觀結構。具有單一晶粒尺寸梯度（A）、晶粒尺寸和孿晶片層厚度雙基元梯度（B）以及包含織構梯度在內的三基元梯度（C）的層狀結構示意圖，均由硬（?）和軟（?）基元組成，分別簡稱為L-S、L-D和L-T。L-T Cu中一層的EBSD圖像（D）和SEM圖像（G）以及該層起始位置（F）和結束位置（E）的（111）極圖。該層起始位置（G中黑框所示）的高倍SEM圖像（H）和TEM圖像（I）。（J）（111）極密度、晶粒尺寸和孿晶片層厚度隨距界面深度的演變規律。（K）具有7層三梯度的L-T-7樣品的橫截面SEM圖像。

圖2? L-T Cu的力學性能。（A）均勻納米孿晶HNT-?與三梯度納米孿晶L-T-3和L-T-7樣品的拉伸工程應力-應變曲線。插圖為應變硬化率與真應變曲線。（B和C）分別為L-T-7和HNT-?樣品在不同應變下的硬度分布。（D）L-T-7的側向應變梯度ηy隨拉伸應變的演變規律，并與實驗測得的拉伸軸方向的應變梯度ηx及不考慮織構梯度效應預測得到的側向應變梯度ηy相比較。（E）對比了L-T、L-S、L-D以及均勻納米孿晶HNT結構的斷裂延伸率-屈服強度綜合性能。

本文來自：中國科學院金屬研究所。

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