金属所卢磊团队：加工硬化差异助力纳米孪晶铜强韧性协同提高！

导读：本文研究了三明治梯度纳米孪晶（GNT）铜的力学行为，该设计仅通过改变中心层中的软组分和固定在其表面的硬组分来设计。随着组分的加工硬化差异增加，GNT Cu的强化和加工硬化同时增加，与独立组分相比，产生了更好的强度-延展性协同作用。优化的力学性能是应变离域化、弹塑性转变时间延长和应变梯度增大的结果，这些因素在界面处诱发了更多几何必要的位错(GNDs)

具有从纳米到微米的空间梯度微观结构的梯度纳米结构（GNS）金属材料由于其卓越的机械性能（例如高强度，良好的延展性）引起了广泛的关注。

通常，这种内置的结构梯度被认为主要取决于不同组分之间屈服强度或硬度的差异。根据现有的应变梯度可塑性理论 ，梯度微观结构的塑性应变梯度和渐进塑性屈服（由于强度差异）伴随着位错的发射和积累，特别是位错的产生和积累。几何上必需的位错（GND），从而导致额外的强化和加工硬化。例如，硬度梯度或强度梯度被定量表征为具有不同纳米级孪晶厚度梯度分布的梯度纳米孪晶（GNT）Cu样品中的结构梯度。研究表明，在硬度/强度梯度的伴随增加通常伴随着强度和加工硬化显着增加。特别地，典型的沿位错方向的集中位错（BCD）束形成为抑制晶粒内部的应变/应力局部化。这些BCD有助于产生理想的GNT Cu大塑性应变。

事实上，除了硬度/强度差异外，GNS金属中的成分在延展性方面也有很大差异。更重要的是，延展性和强度通常表现成反比。梯度结构的共变形在很大程度上取决于强度和延展性。在某种程度上，加工硬化为材料的强度和延展性搭建了桥梁。然而，可能代表部件之间塑性不相容的加工硬化差异对GNS金属的变形行为和强化机理的影响仍是未知的。

在这项研究中，中科院金属所卢磊团队在良好的控制下设计和制造了一系列由GNT Cu组成的两组分夹心，它们在表面具有固定的硬组分，而软的中心组分随不同的加工硬化能力而变化。阐明了加工硬化差异对拉伸性能，弹塑性转变以及变形机理的影响。相关研究成果以题“Work hardening discrepancy designing to strengthening gradient nanotwinned Cu”发表在Scripta Materialia上

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221002554

图1。三个夹心的GNT Cu样品的微观结构。GNT-ⒶⒷ（a1-a3），GNT-ⒶⒸ（b1-b3）和GNT-ⒶⒹ（c1-c3）的示意图，SEM图像和截面硬度分布

图2a显示了三个GNT Cu样品与其同质独立的对应物HNT-Ⓐ，Ⓑ，Ⓒ和对应的拉伸工程应力-应变曲线。对于HNT Cu，屈服强度从223 MPa大幅增加到446 MPa，但从HNT-Ⓓ到HNT-Ⓐ的延展性从22％降低到1％，这是由于孪晶厚度和晶粒尺寸 的减小[23]。对于HNT-Ⓐ，GNT-ⒶⒷ具有相当的屈服强度（435 MPa），但具有较好的均匀伸长率（3％）。

图2。与它们的HNT成分相比，GNT-ⒶⒹ，GNT-ⒶⒸ和GNT-ⒶⒹ的工程应力-应变曲线（a）和工作硬化率Θ与真实应变曲线（b）的关系。（b）的插图显示了在5％HNT Cu的真实应变下的加工硬化率。（b）中的工作硬化曲线与虚线在Θ= E / 100处的虚线的交点表示了弹塑性转变的终点 ，其中E是杨氏模量（120 GPa）。

图3。（a）说明了GNT Cu顶表面应变分布的测量。的分布拉伸应变，ε X，上GNT-ⒶⒷ（B1〜B3）的表面，GNT-ⒶⒸ在不同的施加的拉伸应变，（C1-C3）和GNT-ⒶⒹ（D1-D3）ε应用。

总而言之，我们设计了一系列具有不同加工硬化差异的梯度纳米孪晶铜，并研究了它们的机械性能。这项研究的重要见解首次表明，随着加工硬化差异的增加，GNT Cu的强化和加工硬化与促进的应变离域同时增加。这一发现为开发高性能GNS金属提供了额外的策略。