金属顶刊《Acta Materialia》：三维界面，大幅提升纳米金属复合材料强度！

编辑推荐：本文研究了含二维和三维界面的Cu/Nb纳米复合材料的结构和变形行为。发现三维界面复合材料能够在提升强度的同时不降低塑性，屈服强度和抗拉强度可以分别提高50%和22%，为设计具有高强度而不降低塑性的材料提供了新思路。

现有研究已经证实，金属纳米复合材料的机械性能比相应粗晶粒的金属更高，纳米复合材料的整体性能可以通过控制界面的原子结构进行定制。在过去的十年中，研究主要集中在二维(2D)界面对材料性能的影响。二维界面是不连续的原子尖锐边界，在微观结构和材料性能上存在突变。实验研究表明，具有尖锐界面的纳米结构比其单晶成分强几个数量级。但是尖锐界面在增加强度的同时使塑性降低。为了解决这方面问题已有研究3D界面的报道，但是对三维界面对纳米复合材料性能的影响机制仍不明确。

美国北卡罗来纳大学的研究人员以Cu和Nb为基，探讨了含二维和三维界面的Cu/Nb纳米复合材料的结构和变形行为，三维界面复合材料能够在提升强度的同时不降低塑性，为抑制纳米层状复合材料的剪切不稳定性提供了新的设计路径。相关论文以题为“Effects of three-dimensional Cu/Nb interfaces on strengthening and shear banding in nanoscale metallic multilayers”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.019

本研究制备的纳米层状复合材料，每个纯Cu和纯Nb层厚度均为40nm，3D界面区厚度平均约10nm。具有3D界面的复合材料比普通2D Cu/Nb复合材料屈服强度和抗拉强度分别提高了50%和22%，2D和3D复合材料压缩时的塑性不稳定性均在约14%应变下出现。由于2D和3D Cu/Nb的晶体学取向在界面上的差异是相同的，因此它们会有相同的失配位错。而在3D Cu/Nb界面中，位错将分布在整个3D界面厚度上，而不是局限在二维Cu/Nb复合材料的界面平面内。

图1 （a）三维Cu/Nb复合材料的TEM图；（b）选区衍射图；（c,d）三维界面取向关系

图2 含有3D(红色)和2D (蓝色)界面的Cu/Nb微柱压缩的应力-应变图，力加载垂直于层界面

性能差异主要由界面结构导致，界面结构能够影响界面与位错之间的相互作用。在2D Cu/Nb中，位错倾向于界面的失配位错形核，失配位错网具有应力集中的作用；相比之下三维界面上的应力集中更加分散，因此需要更高的应力才能在从3D界面发射位错，最终导致3D Cu/Nb复合材料屈服强度更高。在3DCu/Nb界面内，剪切带倾向较2D界面低，也有助于强度提升，剪切带可以用局部旋转模型和几何变化及相关晶体学的实验观察来解释。本研究中剪切带的剪切应变为1.36，说明位错穿过剪切带中的每个原子层。

图3 剪切带附近晶格取向图

图4 (a,b)在剪切带附近的TEM和EDS图；(c,d)剪切带外和内界面厚度

图5 HRTEM图显示3D界面处的高密度位错

图6 3D Cu/Nb中剪切带形成示意图

图7 位错滑移引起的剪切和界面平面旋转

总之，本文研究了含二维和三维界面的Cu/Nb纳米复合材料的结构和变形行为。三维界面为控制界面结构提供了广阔的空间，本文为设计具有增强强度而不降低塑性的材料提供新的思路，为研究增强力学行为提供了新的途径。（文：破风）