導讀：界面在層壓材料的機械行為中起著至關重要的作用。本研究采用直流電沉積法制備了一系列界面間距為200-33 μm的硬/軟納米孿晶銅層壓板。在拉伸試驗中，在減小界面間距的同時提高了強度和加工硬化。在界面附近發現了額外的強化和幾何上必要的位錯（GND），但沒有任何應變集中。界面上出現明顯的應變差異，并隨著界面間距的減小而減小。最重要的是，無論界面間距如何，界面附近出現的最高塑性應變梯度表明界面之間的變形兼容性顯著。界面介導的空間分布強化有助于通過減小界面間距來提高強度并減小應變差異。

作為典型的非均相納米結構（HNS）材料，具有分隔相鄰組分的界面的層壓金屬因其更高的強度、加工硬化性、延展性、韌性及其組合而越來越受到關注。例如，在拉伸試驗中，具有粗晶Cu層和納米晶粒CuZn層的Cu/CuZn層壓板同時提高了強度和延展性，界面間距從125μm減小到15μm。通過純鈦和鋁板的熱軋和退火制造的層狀金屬復合材料（LMC）表現出高拉伸延展性，優于任何單獨的鈦或鋁板。通過不對稱軋制和隨后的部分重結晶制備的非均質層疊Ti既具有超細晶粒組分的強度，又具有粗粒組分的延展性。

為了解釋層狀復合材料的高強度和延展性，提出了幾種變形機制，例如界面約束，增強應變硬化，背應力強化等。界面和界面介導的變形被認為在層狀構件變形過程中傳遞載荷和應力重新分配中起著至關重要的作用。源于層疊Cu/CuZn中相鄰硬層和軟層之間的相互約束，位錯在粗粒（軟）層內的界面附近成核，其中一些移動到界面。結果，界面處發生強烈的位錯堆積和嚴重的應變集中，形成界面影響區（IAZ），這有助于提高層壓Cu/CuZn的強度。

對于相鄰層間彈性模量和變形機理不同的LMC Ti/Al，各層的應力狀態發生變化，發生應力分配，激活脆性Ti層的塑性變形。此外，由于相鄰層之間較強的相互約束，Al層可以緩解應變定位并限制微裂紋的發展。因此，LMC Ti/Al可以表現出優異的延展性。

研究人員還發現，根據應變梯度塑性理論，軟硬構件之間的不均勻變形有助于層壓結構的強化和應變硬化。在層壓結構變形過程中，軟構件首先由于屈服強度較低而產生塑性變形，而硬構件屈服后。因此，軟部件和硬部件之間會出現塑性應變差異或應變梯度。幾何上必要的位錯（GND）必須根據需要產生以適應應變梯度，并通過產生運動硬化（背應力）或/和各向同性硬化（有效應力）來幫助強化和加工硬化。同樣，與應變梯度和GNDs相關的不均勻塑性變形具有優異的機械性能，已在具有梯度，雙峰或諧波]結構的其他HNS材料中得到了普遍驗證。

均相納米孿晶（HNT）結構被認為是設計非均相微觀結構所需的原型結構，例如梯度和層壓，以闡明其基本變形機制。HNT組件的優點之一是可控的微觀結構，如晶粒尺寸，孿生厚度和孿晶取向。例如，具有柱狀晶粒和平行于生長表面的高度取向納米級孿晶的HNT Cu表現出強烈的各向異性塑性變形，其中主要變形機制可以通過改變相對于孿生平面的加載方向在孿生體之間位錯滑行、跨孿生邊界的位錯轉移和位錯介導的邊界遷移3種位錯模式之間有效切換。

在這項研究中，中科院金屬所盧磊研究團隊專注于研究只有硬（A）和軟（D）兩個組分但界面間距不同的LNT結構，以揭示拉伸試驗下固有的不相容塑性變形和由此產生的界面強化。為弄清楚LNT Cu的塑性變形規律，采用全場應變技術定量研究了軟硬構件之間的應變差異、界面間應變梯度分布及其隨LNT Cu拉伸應變增大而演化規律。相應地，將電子背散射衍射（EBSD）與雙光束衍射技術相結合，對LNT Cu的變形微觀結構，特別是GNDs的分布和構型進行了表征。對LNT Cu和HNT構件的背應力和有效應力進行了應力分配分析，以明確額外強化的來源。最后，討論了LNT Cu界面介導的變形強化機理。

相關研究成果以題“Interface strain gradient enabled high strength and hardening in laminated nanotwinned Cu”發表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542300469X               

通過使用4個晶粒尺寸和孿生厚度增加的HNT結構作為不同的單個組分（A），（B），（C）和（D）），我們構建了一系列梯度納米孿晶（GNT）Cu，用于解開結構梯度誘導的強化，硬化和獨特的變形機理。結果表明，與獨立的HNT組件相比，GNT Cu不僅表現出明顯的額外強化和加工硬化，而且還表現出新的集中位錯（BCDs）介導的變形機制束。這些 BCD 由 GND 的積累形成，GND 適應 4 個組分的應變梯度。同時，BCD或GND產生強背應力而不是有效應力，這是GNT Cu額外增強的起源。

此外，我們僅使用兩種HNT組分，即硬（A）和軟（D），設計了三種類型的代表性HNS材料，其GTLs（fg）的體積分數不同，分別為10%（層壓），50%（半梯度）和100%（全梯度），而混合物強度規則和整體結構梯度都是恒定的，以定量揭示fg對額外強化行為的影響。隨著fg增加到100%，GNT Cu樣品的屈服強度可以提高，而不會損失均勻伸長率。強化機理源于分布較寬的應變梯度和由此產生的廣泛分布的GND。然而，層壓納米孿晶（LNT）Cu的基本強化機理，包括與塑性應變梯度和應變差異相關的界面間距仍然未知。

圖1.由硬（A）和軟（D）組分組成的LNT-200（a1-a3）、LNT-100（b1-b3）、LNT-50（c1-c3）和LNT-33（d1-d3）的示意圖、橫截面SEM圖像和硬度分布，界面間距分別為200、100、50和33 μm。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本)

圖2.LNT Cu的工程應力-應變曲線（a）和加工硬化速率Θ-真實應變曲線（b）與HNT-（A）和HNT-（D）的比較。（b）中的插圖顯示了在真實應變ε = 1%和3%的LNT Cu（具有各種界面間距l）下的加工硬化率。虛線表示混合法則 （ROM） 加工硬化率，ε = 1% 和 3%，如圖所示。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。

圖3.LNT Cu的工程應力-應變曲線（a）和加工硬化速率Θ-真實應變曲線（b）與HNT-（A）和HNT-（D）的比較。（b）中的插圖顯示了在真實應變ε = 1%和3%的LNT Cu（具有各種界面間距l）下的加工硬化率。虛線表示混合法則 （ROM） 加工硬化率，ε = 1% 和 3%，如圖所示。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。

圖4.LNT銅梯度側向應變的表征。 （a）通過CLSM測量的側表面（x-z平面）的高度剖面圖示，其中表示了x，y和z軸。LNT-200 側面測量的高度輪廓在 ε = 0 （b1） 和 ε = 3% （b2） 時變形。（b3）ε = 0 和 3% 時的平均高度剖面分別從 （b1） 和 （b2） 獲得。相對側向應變的分布（b4）和LNT-200的橫向應變梯度（b5）。（c1-c5）、（d1-d5）和（e1-e5）與（b1-b5）相同，但LNT-100、LNT-50和LNT-33除外。組件（A）和（D）之間的側向應變差變化（f） 和側向應變梯度在界面 （g） 與界面間距 l. （有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。

圖5.LNT Cu中軟（D）和硬（A）組分的硬化與相應的HNT Cu樣品的比較。HNT-（A） （a1）、LNT-200 （b1） 和 HNT-（D） （c1） 在拉伸應變 ε = 0、1%、3% 和 5% 時的硬度分布。（a2-c2） 與 （a1-c1） 相同，只是硬化 ΔH 定義為變形后相對于變形前的硬度增量。（b1 和 b2）中零的位置表示接口的位置。（a2-c2）中的水平虛線表示HNT-（A）和HNT-（D）在不同應用應變下的平均硬化。（b2）中的陰影表示LNT-200相對于HNT Cu的額外硬化。 （有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。

圖6.EBSD方向映射（a1，b1，c1），相應的位錯密度映射（a2，b2，c2）和LNT-50界面上的平均位錯密度變化（d）在ε = 0，1%，5%。（d） 中的虛線表示接口的位置。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。

圖8.LNT-50中界面附近和遠離界面的位錯形態在ε = 3%。（a） 整個界面的低放大倍率TEM圖像。（a）中的白色矩形區域1和2分別放大為（b，c，d）和（e，f，g）。（c，f）和（d，g）使用雙光束衍射成像，矢量分別為gM = gT = 111和gM = 200。（a） 中的黑色虛線勾勒出組件 （A） 和 （D） 之間的界面。 模式I和模式II位錯分別用綠色和橙色箭頭表示。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。

LNT Cu在小應變下的屈服強度和加工硬化均高于ROM預測的屈服強度和加工硬化，并隨著界面間距的減小而增大，表現出優于無納米孿晶的傳統層疊材料的額外強度。在LNT Cu中檢測到寬度達100μm的更分散的IAZ，其中應變梯度（或GND密度）在界面處達到最大值，并在遠離界面的地方逐漸減小，而不是僅在傳統層壓材料中的界面附近集中。當界面間距減小時，界面處恒定的應變梯度可改善整體額外強度，并減小LNT Cu組分之間的應力/應變差異。這種界面協調的梯度變形機制在相鄰的納米孿晶組件之間揭示了一種定制具有優異機械性能的層壓材料的新機制。