對於金屬結構材料，人們總是希望其不僅強度高，同時還具有大的拉伸塑性。然而強度與塑性卻是一對本徵的矛盾，人們可以容易地通過塑性變形將晶粒細化到納米尺寸，把傳統粗晶的強度提高5-15倍，代價卻是喪失了幾乎全部的均勻塑性。材料的塑性取決於微結構相關的加工硬化能力，高強度納米金屬中傳統的位錯塑性與硬化效應非常微弱；即使在低層錯能材料中，晶粒尺度效應也會強烈抑制孿生變形和相變誘導的加工硬化效應。因而，人們面臨的極大挑戰是怎樣在高強度納米金屬中獲得加工硬化能力。
近日，中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室的武曉雷研究團隊提出一種多級構築結構的策略，應用在低層錯能的等原子比CrCoNi中熵合金中，實現了高強度與拉伸塑性的優異匹配。研究成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS，2018）上。
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http://www.pnas.org/content/early/2018/06/25/1807817115
研究團隊利用簡單的工業化冷軋與再結晶退火，巧妙地構築了一種多級晶粒尺度的納米結構，即晶粒尺寸非均勻的異構 (heterogeneous grain structure)，包含微米、亞微米和納米等三個尺度的晶粒。他們發現多級結構在塑性變形時，發生應力應變再分配，特別是亞微米晶粒由於承擔了較大的應力，可誘導變形孿生，在晶界不斷形成納米孿晶，並在拉伸變形過程中演化為納米晶粒。
多級結構最顯著的拉伸變形特點是其本身由於納米晶粒的形成而不斷增強，發生動態的晶粒細化，類似於TWIP效應和TRIP效應。實驗進而證實，大量原位形成的納米晶粒誘導了迄今為止最為顯著的背應力硬化效應 (back stress hardening)，提高了加工硬化能力，因而在1.2GPa的高屈服強度下獲得了25%的拉伸均勻塑性。他們進一步發現，與均質的低層錯能或高層錯能納米結構相比，多級結構在同等強度下可以獲得更大的加工硬化能力和拉伸塑性。
他們的研究成果揭示了多級構築結構的強韌化機理，提出了針對低層錯能金屬材料如不鏽鋼和中高熵合金等的一條強韌化新途徑。這項研究工作的合作者為美國約翰霍普金斯大學材料系教授馬恩。研究工作得到科技部國家重點研發計劃納米科技重點專項、國家自然科學基金和中科院B類先導專項的資助。
圖注: a. 單相CrCoNi中熵合金拉伸變形後的多級結構 (白色、藍色和彩色分別為微米、亞微米和納米晶粒)，納米晶粒在亞微米晶粒的晶界形成；b. 拉伸效能；c. 歸一化加工硬化率；d. 強度–塑性匹配。
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