追求金属结构材料的高强度、高塑性/韧性是一个永恒的主题。但通过单一的结构细化在提高金属强度的同时，往往伴随塑性/韧性的降低。如何突破金属强度和塑性的对立是力学和材料交叉学科面临的挑战。均匀结构由于其结构均匀，动态变形和剪切带演化机理相对成熟，但由于缺乏加工硬化能力，在动态条件下缺乏均匀塑性。近年来研究表明，多级结构是高强度金属突破其塑性瓶颈的一个重要途径。
　　多级结构在准静态条件下具有优于均匀结构的力学性能，那么其在动态条件下是否同样具有优越的力学性能？各级结构及其协调变形如何影响动态力学性能？多级结构动态变形行为的微结构机理是什么？近期，中国科学院力学研究所、北卡州立大学、约翰霍普金斯大学的研究人员通过合作在这些科学问题上取得重要进展。
　　针对梯度结构，我们设计了一套新的动态剪切试验手段(图1，板状样品和圆柱控制环)，首次揭示了梯度纳米结构的动态剪切变形机理：由于各层之间在动态变形过程中发生应变分配，产生了额外的加工硬化，能够延迟剪切带在纳米晶表层的萌生，以及限制剪切带从表面到芯部的扩展(其传播速度相比均质结构低一个数量级)，梯度纳米结构金属能够获得比均质结构优越的动态剪切性能，同时发现广为人知的剪切带萌生的最大应力准则在梯度结构中不再适用。

图 1 梯度纳米结构的动态剪切变形机理
　　通过冷轧和低温短时退火，我们在低层错能金属中熵合金中获得多尺度晶粒结构，研究发现多尺度晶粒之间的变形协调和应变分配能够促进加工硬化，动态变形过程中发生了晶粒细化，能够延缓剪切带的萌生，促进动态剪切塑性，获得了迄今为止报道的最优越的动态剪切性能。同时发现，低温条件下，能够促进多级孪晶、相变、位错锁等晶内缺陷的萌生和交互作用，提升加工硬化能力，导致更优越的动态性能 (图2)。

图 2 多尺度晶粒结构中熵合金的优越动态性能和动态变形的微结构机理
　　以上研究结果可以为提高金属材料在冲击条件下的吸能效率和防护效果提供思路，同时可以为高强高韧金属在极端环境下的应用(比如汽车工业的吸能结构，军事上的防护结构等)提供帮助。研究成果发表在材料类国际著名期刊Materials Research Letters (Bian et al., Vol. 5(7), 501-507, 2017, https://doi.org/10.1080/21663831.2017.1334715) 和冶金类国际旗舰期刊Acta Materialia (Ma et al., Vol. 148, 407-418, 2018, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.016)。相关研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划纳米专项、中科院B类先导专项的资助。


附件：