金属所卢磊《Scripta》：加工硬化差异对梯度纳米材料的强化作用！

梯度纳米结构(GNS)金属材料具有从纳米到微米的空间梯度微观结构，其具有优异的机械性能，如高强度、良好的延展性。一般认为，这种梯度结构主要取决于不同部分之间屈服强度或硬度的差异。根据现有的应变梯度塑性理论，梯度微观结构的塑性应变梯度和渐进塑性屈服伴随着位错的增殖和积累，可能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梯度纳米孪晶(GNT) Cu样品中的结构梯度，其具有不同的纳米级孪晶厚度梯度分布。研究表明，梯度通常随着硬度/强度的增加而增加。然而，加工硬化差异对梯度纳米结构金属的变形行为和强化机制的影响仍然未知。

中科院沈阳金属研究所卢磊团队制造了一系列梯度纳米结构Cu（三明治结构），表层有固定的硬组分，较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、弹塑性转变及变形机制的影响。相关论文以题为“Work hardening discrepancy designing to strengthening gradient nanotwinned Cu”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113975

本研究采用直流电沉积法制备了4种均质纳米孪晶（HNT）Cu，电解液温度分别为20、25、30、35℃，简称为HNT-A、B、C、D。梯度纳米结构材料表层均为A，中心层由B至D，形成三种不同的梯度纳米结构Cu样品（简称为GNT-AB、AC、AD），各组分体积分数相同（50%），从A到D平均晶粒尺寸由2.5μm增大至15.8μm，孪晶平均尺寸由29μm增加至72μm，总厚度保持在400μm左右。

研究发现HNT-A至D屈服强度从223MPa提高至446MPa，但是延性由22%下降至1%，这是晶粒细化造成的，而GNT-AB的屈服强度为435MPa，延伸率3%。均质纳米孪晶（HNT）和梯度纳米孪晶（GNT）Cu的加工硬化率出现两个典型的硬化阶段：在小应变下（小于2%）急剧下降的弹塑性过渡阶段和变形阶段达到稳定的稳态阶段。GNT中两组分的加工硬化差异越大，组织的强化效果和加工硬化将更强。较大加工硬化能够有效抑制梯度纳米结构Cu的组分间应变局部化的差异。

图1 三种GNT试样的微观结构

图2 GNT-AB、AC、AD的应力-应变曲线

图3 不同应变状态下GNT-AB、AC、AD的表面应变分布

图4 三种GNT试样在εapp=1%时侧表面的应变分布

本文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，这项研究首次表明，随着加工硬化差异的增加，梯度纳米结构Cu的强化和加工硬化随应变离域化的促进而同时增加，本文为开发高性能梯度纳米结构金属提供了理论基础。（文：破风）