重磅！中科院金属所再发Science！金属材料强化领域重大发现！
2023-09-15 15:08:58
作者： 材料学网 来源： 材料学网
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卢磊。她不仅是中科院金属研究所的知名研究员，还担任博士生导师，指导后辈科研工作者。而且，她还获得了中科院人才计划、国家杰出青年科学基金、国家级人才计划等多项荣誉。她的成就得到了国家级别的认可。 卢磊的研究成果和才能不仅仅局限在学术领域。她还是科技部“纳米科技”重点专项总体专家组成员，这一身份体现了她在纳米科技领域的重要地位。 卢磊的才华和贡献得到了辽宁省的认可，她被授予“兴辽计划”创新领军人才这一荣誉，这充分体现了她在辽宁省科技创新中的重要地位。作为全球纳米材料和材料强度领域的领军人物之一，卢磊现担任国际委员会委员，并在Acta Materialia和Scripta Materialia等知名期刊担任编辑。她的主要研究方向集中在纳米结构金属材料的制备、力学性能以及变形机理方面，具有极高的学术价值。至今，她已经发表了110余篇SCI论文，其中包括4篇Science和2篇Nature，这些文章被引用次数已经超过了15000次，彰显了她在该领域的国际影响力。此外，她还拥有15项国内发明专利和6项国际发明专利，为推动科学技术发展做出了重要贡献。 在过去的几年里，她在国际学术会议上多次发表了大会、主题和邀请报告，总计达70余次，展示了她在学术界的地位和卓越的学术能力。这些成果和荣誉是对她辛勤工作和卓越成就的充分肯定，也是对她在纳米材料和材料强度领域的卓越贡献的认可。卢磊研究员的团队致力于研究块体纳米结构金属材料，从样品制备到微观结构表征，再到结构稳定性和综合力学性能，最后到理化性能的评估。他们的目标不仅仅是理解这些材料的性能，更是通过深入探究它们的结构与性能之间的关系，来揭示纳米结构金属材料背后的强韧化原理和极致性能的根源。"令人惊叹的是，卢磊研究员的二哥竟然是著名的卢柯院士，这两位学霸兄弟在《Nature》和《Science》上崭露头角！而今天，卢磊教授的最新研究成果更是荣登《Science》杂志。那么，接下来就让我们一起深入了解这篇重磅论文，共同感受其中的奥秘与魅力吧！"应变硬化，也被称作加工硬化，可以追溯到古老的青铜时代，它也是最早被广泛应用在金属材料强化策略中的方法。这个传统方法主要是通过增加典型线性缺陷（也就是位错）的数量以及它们在晶格中的相互影响来实现的。随着位错数量的增加，位错流动性逐渐降低，从而需要施加更大的应力才能使其发生额外的变形。 一般来说，像软质粗粒（CG）金属这种应变硬化程度最高的材料，往往也具有最好的拉伸延展性。这主要是因为位错在这些材料中有丰富的空间，并且可以自由移动和存储，因此它们能够产生最大的自由移动和存储路径。 在结晶固体中，位错与位错之间的相互作用会产生局部位错缠结的现象。这种缠结最终会形成三维网络的位错图案，导致进一步的变形变得非常困难。这些成果将有助于推动相关领域的研究，并且可以为新的材料和加工技术的发展提供基础支撑。在此，中科院金属所卢磊教授团队的实验报告为我们揭示了一个奇妙的现象：在77开尔文条件下，一种具有梯度位错单元的稳定单相合金在整个变形阶段的应变硬化率竟然超过了粗晶粒材料。这一发现颠覆了我们的传统认知，因为这种特殊的应变硬化竟然源于一种独特的动态结构细化机制。 这种机制相当独特，它是由大量多方向微小堆积断层的发射和运动所促成的，与传统的线性位错介导变形有着天壤之别。更令人惊讶的是，原子尺度的平面形变断层在塑性变形中占主导地位，这为金属材料的强化和硬化提供了一种全新的方法。这一重大发现具有深远的影响，它不仅为我们提供了一种全新的金属材料强化和硬化方法，还预示着梯度细胞结构合金在潜在应用方面可能具有出色的性能。相关成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”为题发表在《Science》上，第一作者为潘庆松研究员。"CG Al0.1CoCrFeNi MPE合金样品在初始状态下，其晶粒结构呈随机取向，平均尺寸约为46微米。然而，通过常温下的循环扭转（CT）处理，试样的微观结构发生了显著变化，形成了试样级分层GDS结构。这种结构在量规截面上呈现出明显的不同，初始的随机取向晶粒结构保持不变，从GDS样品的表面到核心都呈现出均匀分布的特点。 特别值得注意的是，在晶粒内部引入了大量的低角度边界，这些边界在空间上呈随机分布状态。从样品的顶部开始，随着深度的增加，低角度边界的密度逐渐降低。这种低角度边界的存在，可能是由于在处理过程中，试样经历了循环扭转的作用力，导致晶粒之间的相对位置发生了变化。 通过透射电子显微镜观察发现，在最顶部的晶粒中形成了丰富的等轴差排位错胞，这些错胞的平均错向约为2度。此外，作者还测量到位错胞的直径在顶面约为200纳米，而到了0.45毫米深处逐渐增加到约350纳米。这种变化可能是由于在循环扭转处理过程中，试样内部的应力和应变导致了晶粒之间的相对位置变化，进而形成了不同尺寸的等轴差排位错胞。"在准静态单轴拉伸试验中，图2A的工程应力应变曲线和图2B的真实应力应变曲线均显示，当温度从293 K降低到77 K时，GDS样品的强度和延展性出现了显著的提升。令人惊讶的是，在77 K时，块状GDS样品的真实屈服强度约为0.7 GPa，真实极限抗拉强度超过1.8 GPa，这比CG样品的表现好了许多。此外，图2B还发现，在77 K时，GDS合金的应变硬化系数(约为0.48)相对CG样品（0.55）略有下降。 对拉伸结果的详细分析发现，在293 K和77 K的条件下，当应变超过1%时，CG的应变硬化率呈现出单调下降的趋势（图2C）。显然，在293 K时，GDS和表面GDS样品的应变硬化率均低于CG样品，这是由于预先存在的位错较多所导致的。相比之下，让人惊讶的是，在塑性变形的全过程中，77 K的GDS中观察到了高得多的应变硬化率。此外，与CG和GDS试样相比，表面GDS的应变硬化率进一步升高：从3%应变时的4.2 GPa逐渐下降到2.4 GPa（图2C）。"GDS样本的应变硬化率和延展性如此出色，这在传统高强度金属和以位错为主的MPE合金中极为罕见，这表明梯度位错结构在77K应变时存在着固有的、非同寻常的应变硬化机制。"图 2. GDS 合金在 77 K 时的应变硬化和强度-延展性组合为了揭开GDS在低温条件下异常应变硬化的神秘面纱，作者在77K的低温下对GDS进行了两个阶段的拉伸试验。首先是在应变初期（3%；图3，A至C），然后是在塑性变形后期（40%；图3，D至G）。这样的实验设计，能够让我们深入了解GDS顶面的微观结构在不同阶段的响应。 令人惊奇的是，在晶粒内部，我们发现了大量不同取向的片束相互交错的现象。这些片束与晶粒的取向无关，这是在常温（293 K）下拉伸变形的GDS表面很少观察到的。这些交错的薄片，实际上是多个SF束和孪晶边界（TB）片段，这些片段在（111）滑移面上滑动。这些薄片的平均长度为22nm（图3C）。更引人注意的是，相邻SF或TB之间的厚度统计平均值仅为2.8nm，这与薄片束中的高缺陷密度相对应。 当拉伸应变达到40%时，相互交叉的平面界面明显增大，这进一步将微小的最顶层表面晶粒细分为纳米级的镶嵌体。此时，晶粒内部的马赛克状亚结构（图3F）变得更加丰富，平均尺寸约为50纳米。在这个阶段，最初的等轴位错单元/壁已经消失，取而代之的是晶粒内部的这种丰富亚结构。 总的来说，这项研究揭示了GDS在低温条件下异常应变硬化的微观机制，并为理解这种具有重要应用价值的材料在低温环境中的力学行为提供了深入的见解。图 3. GDS 表面层在 77 K 拉伸过程中的微观结构演变图 4. GDS 和 CG 合金在 77 K 拉伸后 SF 概率和位错密度的演变实验结果显示，在低温环境下，具有梯度位错构造的单 fcc 相 MPE 合金会通过形成精巧的 SFed 镶嵌来触发一种与众不同的应变硬化机制，使其具备前所未有的高应变硬化能力，甚至超过了 CG 合金。这种在低温条件下由 SFed-马赛克诱导的动力应变硬化机制与之前 SF 诱导塑性的研究结果以及 GDS 合金在室温条件下的杰出强度和延展性相互照应。很显然，与线性位错比较，晶体中潜在的主导原子尺度平面变形断裂活动不仅是晶体塑性的另一种基本媒介，还能诱发强应变硬化。梯度位错构造和纳米级 SFs 马赛克的特性对于理解物理冶金学的基本应变硬化机制具备重大意义，并为开发高强度和高韧性材料提供了一种不同的范例，其应用领域相当广泛，包括深空和海洋探测、液化天然气储存以及低温物理等低温应用领域。
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