重磅！中科院金屬所再發(fā)Science！金屬材料強(qiáng)化領(lǐng)域重大發(fā)現(xiàn)！
2023-09-15 15:08:58
作者： 材料學(xué)網(wǎng) 來源： 材料學(xué)網(wǎng)
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盧磊。她不僅是中科院金屬研究所的知名研究員，還擔(dān)任博士生導(dǎo)師，指導(dǎo)后輩科研工作者。而且，她還獲得了中科院人才計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃等多項(xiàng)榮譽(yù)。她的成就得到了國(guó)家級(jí)別的認(rèn)可。 盧磊的研究成果和才能不僅僅局限在學(xué)術(shù)領(lǐng)域。她還是科技部“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)總體專家組成員，這一身份體現(xiàn)了她在納米科技領(lǐng)域的重要地位。 盧磊的才華和貢獻(xiàn)得到了遼寧省的認(rèn)可，她被授予“興遼計(jì)劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才這一榮譽(yù)，這充分體現(xiàn)了她在遼寧省科技創(chuàng)新中的重要地位。作為全球納米材料和材料強(qiáng)度領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物之一，盧磊現(xiàn)擔(dān)任國(guó)際委員會(huì)委員，并在Acta Materialia和Scripta Materialia等知名期刊擔(dān)任編輯。她的主要研究方向集中在納米結(jié)構(gòu)金屬材料的制備、力學(xué)性能以及變形機(jī)理方面，具有極高的學(xué)術(shù)價(jià)值。至今，她已經(jīng)發(fā)表了110余篇SCI論文，其中包括4篇Science和2篇Nature，這些文章被引用次數(shù)已經(jīng)超過了15000次，彰顯了她在該領(lǐng)域的國(guó)際影響力。此外，她還擁有15項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利和6項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利，為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。 在過去的幾年里，她在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上多次發(fā)表了大會(huì)、主題和邀請(qǐng)報(bào)告，總計(jì)達(dá)70余次，展示了她在學(xué)術(shù)界的地位和卓越的學(xué)術(shù)能力。這些成果和榮譽(yù)是對(duì)她辛勤工作和卓越成就的充分肯定，也是對(duì)她在納米材料和材料強(qiáng)度領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)的認(rèn)可。盧磊研究員的團(tuán)隊(duì)致力于研究塊體納米結(jié)構(gòu)金屬材料，從樣品制備到微觀結(jié)構(gòu)表征，再到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和綜合力學(xué)性能，最后到理化性能的評(píng)估。他們的目標(biāo)不僅僅是理解這些材料的性能，更是通過深入探究它們的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，來揭示納米結(jié)構(gòu)金屬材料背后的強(qiáng)韌化原理和極致性能的根源。"令人驚嘆的是，盧磊研究員的二哥竟然是著名的盧柯院士，這兩位學(xué)霸兄弟在《Nature》和《Science》上嶄露頭角！而今天，盧磊教授的最新研究成果更是榮登《Science》雜志。那么，接下來就讓我們一起深入了解這篇重磅論文，共同感受其中的奧秘與魅力吧！"梯度晶胞結(jié)構(gòu)合金中的原子斷層誘發(fā)異常低溫應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化，也被稱作加工硬化，可以追溯到古老的青銅時(shí)代，它也是最早被廣泛應(yīng)用在金屬材料強(qiáng)化策略中的方法。這個(gè)傳統(tǒng)方法主要是通過增加典型線性缺陷（也就是位錯(cuò)）的數(shù)量以及它們?cè)诰Ц裰械南嗷ビ绊憗韺?shí)現(xiàn)的。隨著位錯(cuò)數(shù)量的增加，位錯(cuò)流動(dòng)性逐漸降低，從而需要施加更大的應(yīng)力才能使其發(fā)生額外的變形。 一般來說，像軟質(zhì)粗粒（CG）金屬這種應(yīng)變硬化程度最高的材料，往往也具有最好的拉伸延展性。這主要是因?yàn)槲诲e(cuò)在這些材料中有豐富的空間，并且可以自由移動(dòng)和存儲(chǔ)，因此它們能夠產(chǎn)生最大的自由移動(dòng)和存儲(chǔ)路徑。 在結(jié)晶固體中，位錯(cuò)與位錯(cuò)之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生局部位錯(cuò)纏結(jié)的現(xiàn)象。這種纏結(jié)最終會(huì)形成三維網(wǎng)絡(luò)的位錯(cuò)圖案，導(dǎo)致進(jìn)一步的變形變得非常困難。這些成果將有助于推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究，并且可以為新的材料和加工技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。在此，中科院金屬所盧磊教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告為我們揭示了一個(gè)奇妙的現(xiàn)象：在77開爾文條件下，一種具有梯度位錯(cuò)單元的穩(wěn)定單相合金在整個(gè)變形階段的應(yīng)變硬化率竟然超過了粗晶粒材料。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了我們的傳統(tǒng)認(rèn)知，因?yàn)檫@種特殊的應(yīng)變硬化竟然源于一種獨(dú)特的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)化機(jī)制。 這種機(jī)制相當(dāng)獨(dú)特，它是由大量多方向微小堆積斷層的發(fā)射和運(yùn)動(dòng)所促成的，與傳統(tǒng)的線性位錯(cuò)介導(dǎo)變形有著天壤之別。更令人驚訝的是，原子尺度的平面形變斷層在塑性變形中占主導(dǎo)地位，這為金屬材料的強(qiáng)化和硬化提供了一種全新的方法。這一重大發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的影響，它不僅為我們提供了一種全新的金屬材料強(qiáng)化和硬化方法，還預(yù)示著梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)合金在潛在應(yīng)用方面可能具有出色的性能。相關(guān)成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”為題發(fā)表在《Science》上，第一作者為潘慶松研究員。
"CG Al0.1CoCrFeNi MPE合金樣品在初始狀態(tài)下，其晶粒結(jié)構(gòu)呈隨機(jī)取向，平均尺寸約為46微米。然而，通過常溫下的循環(huán)扭轉(zhuǎn)（CT）處理，試樣的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，形成了試樣級(jí)分層GDS結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在量規(guī)截面上呈現(xiàn)出明顯的不同，初始的隨機(jī)取向晶粒結(jié)構(gòu)保持不變，從GDS樣品的表面到核心都呈現(xiàn)出均勻分布的特點(diǎn)。 特別值得注意的是，在晶粒內(nèi)部引入了大量的低角度邊界，這些邊界在空間上呈隨機(jī)分布狀態(tài)。從樣品的頂部開始，隨著深度的增加，低角度邊界的密度逐漸降低。這種低角度邊界的存在，可能是由于在處理過程中，試樣經(jīng)歷了循環(huán)扭轉(zhuǎn)的作用力，導(dǎo)致晶粒之間的相對(duì)位置發(fā)生了變化。 通過透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在最頂部的晶粒中形成了豐富的等軸差排位錯(cuò)胞，這些錯(cuò)胞的平均錯(cuò)向約為2度。此外，作者還測(cè)量到位錯(cuò)胞的直徑在頂面約為200納米，而到了0.45毫米深處逐漸增加到約350納米。這種變化可能是由于在循環(huán)扭轉(zhuǎn)處理過程中，試樣內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變導(dǎo)致了晶粒之間的相對(duì)位置變化，進(jìn)而形成了不同尺寸的等軸差排位錯(cuò)胞。"圖1 梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（GDS）合金的典型顯微組織在準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)中，圖2A的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線和圖2B的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線均顯示，當(dāng)溫度從293 K降低到77 K時(shí)，GDS樣品的強(qiáng)度和延展性出現(xiàn)了顯著的提升。令人驚訝的是，在77 K時(shí)，塊狀GDS樣品的真實(shí)屈服強(qiáng)度約為0.7 GPa，真實(shí)極限抗拉強(qiáng)度超過1.8 GPa，這比CG樣品的表現(xiàn)好了許多。此外，圖2B還發(fā)現(xiàn)，在77 K時(shí)，GDS合金的應(yīng)變硬化系數(shù)(約為0.48)相對(duì)CG樣品（0.55）略有下降。 對(duì)拉伸結(jié)果的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，在293 K和77 K的條件下，當(dāng)應(yīng)變超過1%時(shí)，CG的應(yīng)變硬化率呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)（圖2C）。顯然，在293 K時(shí)，GDS和表面GDS樣品的應(yīng)變硬化率均低于CG樣品，這是由于預(yù)先存在的位錯(cuò)較多所導(dǎo)致的。相比之下，讓人驚訝的是，在塑性變形的全過程中，77 K的GDS中觀察到了高得多的應(yīng)變硬化率。此外，與CG和GDS試樣相比，表面GDS的應(yīng)變硬化率進(jìn)一步升高：從3%應(yīng)變時(shí)的4.2 GPa逐漸下降到2.4 GPa（圖2C）。"GDS樣本的應(yīng)變硬化率和延展性如此出色，這在傳統(tǒng)高強(qiáng)度金屬和以位錯(cuò)為主的MPE合金中極為罕見，這表明梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在77K應(yīng)變時(shí)存在著固有的、非同尋常的應(yīng)變硬化機(jī)制。"圖 2. GDS 合金在 77 K 時(shí)的應(yīng)變硬化和強(qiáng)度-延展性組合動(dòng)態(tài) SFed 馬賽克誘導(dǎo)應(yīng)變硬化機(jī)制為了揭開GDS在低溫條件下異常應(yīng)變硬化的神秘面紗，作者在77K的低溫下對(duì)GDS進(jìn)行了兩個(gè)階段的拉伸試驗(yàn)。首先是在應(yīng)變初期（3%；圖3，A至C），然后是在塑性變形后期（40%；圖3，D至G）。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠讓我們深入了解GDS頂面的微觀結(jié)構(gòu)在不同階段的響應(yīng)。 令人驚奇的是，在晶粒內(nèi)部，我們發(fā)現(xiàn)了大量不同取向的片束相互交錯(cuò)的現(xiàn)象。這些片束與晶粒的取向無關(guān)，這是在常溫（293 K）下拉伸變形的GDS表面很少觀察到的。這些交錯(cuò)的薄片，實(shí)際上是多個(gè)SF束和孿晶邊界（TB）片段，這些片段在（111）滑移面上滑動(dòng)。這些薄片的平均長(zhǎng)度為22nm（圖3C）。更引人注意的是，相鄰SF或TB之間的厚度統(tǒng)計(jì)平均值僅為2.8nm，這與薄片束中的高缺陷密度相對(duì)應(yīng)。 當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到40%時(shí)，相互交叉的平面界面明顯增大，這進(jìn)一步將微小的最頂層表面晶粒細(xì)分為納米級(jí)的鑲嵌體。此時(shí)，晶粒內(nèi)部的馬賽克狀亞結(jié)構(gòu)（圖3F）變得更加豐富，平均尺寸約為50納米。在這個(gè)階段，最初的等軸位錯(cuò)單元/壁已經(jīng)消失，取而代之的是晶粒內(nèi)部的這種豐富亞結(jié)構(gòu)。 總的來說，這項(xiàng)研究揭示了GDS在低溫條件下異常應(yīng)變硬化的微觀機(jī)制，并為理解這種具有重要應(yīng)用價(jià)值的材料在低溫環(huán)境中的力學(xué)行為提供了深入的見解。圖 3. GDS 表面層在 77 K 拉伸過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變圖 4. GDS 和 CG 合金在 77 K 拉伸后 SF 概率和位錯(cuò)密度的演變實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低溫環(huán)境下，具有梯度位錯(cuò)構(gòu)造的單 fcc 相 MPE 合金會(huì)通過形成精巧的 SFed 鑲嵌來觸發(fā)一種與眾不同的應(yīng)變硬化機(jī)制，使其具備前所未有的高應(yīng)變硬化能力，甚至超過了 CG 合金。這種在低溫條件下由 SFed-馬賽克誘導(dǎo)的動(dòng)力應(yīng)變硬化機(jī)制與之前 SF 誘導(dǎo)塑性的研究結(jié)果以及 GDS 合金在室溫條件下的杰出強(qiáng)度和延展性相互照應(yīng)。很顯然，與線性位錯(cuò)比較，晶體中潛在的主導(dǎo)原子尺度平面變形斷裂活動(dòng)不僅是晶體塑性的另一種基本媒介，還能誘發(fā)強(qiáng)應(yīng)變硬化。梯度位錯(cuò)構(gòu)造和納米級(jí) SFs 馬賽克的特性對(duì)于理解物理冶金學(xué)的基本應(yīng)變硬化機(jī)制具備重大意義，并為開發(fā)高強(qiáng)度和高韌性材料提供了一種不同的范例，其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包括深空和海洋探測(cè)、液化天然氣儲(chǔ)存以及低溫物理等低溫應(yīng)用領(lǐng)域。
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