金屬有兩個重要的力學性質(zhì)，即強度和均勻拉伸伸長率（簡稱塑性）。高強度可使金屬在發(fā)生塑性變形之前承擔大的載荷，而大塑性則可使其在破壞之前進行較大的塑性變形，避免發(fā)生突然的破壞。材料的強度和塑性取決于內(nèi)部晶粒尺寸的大小，傳統(tǒng)的粗晶具有很大的塑性，隨晶粒尺寸減小到納米尺寸時，強度顯著提高，卻幾乎喪失了全部的塑性。人們面臨的極大挑戰(zhàn)是怎樣同時獲得這兩個極端的性能，即納米晶金屬的高強度與粗晶的大塑性，這在高強度端尤其難以實現(xiàn)。
 

金屬鈦
 

    最近，中國科學院力學研究所納米金屬力學行為課題組與美國北卡州立大學的科研人員合作，在金屬鈦中研制出一種新的微觀結(jié)構(gòu)，不僅具有超細晶結(jié)構(gòu)的高強度，同時具有傳統(tǒng)粗晶的大塑性。他們利用異步軋制技術和退火，把常規(guī)金屬鈦變形成為一種“軟-硬”復合的層片狀微結(jié)構(gòu)，其中高強度的超細晶“硬”層片為基體，彌散分布著體積分數(shù)約為25%、大塑性的再結(jié)晶晶粒的“軟”層片。

    “軟-硬”層片微結(jié)構(gòu)的一個顯著特點是很大的加工硬化能力，甚至超過了粗晶結(jié)構(gòu)，這是以前從未觀察到的。通過拉伸卸載/再加載實驗，他們發(fā)現(xiàn)“軟-硬”層片表現(xiàn)出顯著的包申格效應。他們指出這是由于背應力硬化效應所導致的，并提出了背應力形成機理，即“軟-硬”層片在拉伸變形時塑性變形不協(xié)調(diào)，大量的塑性變形由“軟”層片來承擔。這種應變再分配在“軟-硬”層的界面形成了幾何必需位錯和位錯塞積，產(chǎn)生了背應力硬化。相比之下，均質(zhì)微結(jié)構(gòu)中只存在林位錯硬化，而觀察不到背應力硬化。

    更特別的是，雖然“軟”層片的體積分數(shù)達到了25%，總的強度仍可達到超細晶的強度，這一違背教科書常識的結(jié)果來源于背應力強化。當外應力達到“軟”層片屈服強度的時候，它們試圖開始塑性變形。但是它們被“硬”層片完全包圍而無法變形，導致幾何必需位錯塞積在“軟-硬”層片界面，形成很大背應力強化，直到“硬”層片開始屈服。換句話說，“軟”層片在背應力作用下變得與“硬”層片幾乎一樣強。

    他們的工作提出了一種可同時獲得超細晶的高強度和粗晶塑性的新思路，這樣的力學性能完美結(jié)合是以前從未實現(xiàn)的。同時，這種思路具有很大的可能性來適用于其它的金屬材料。更由于“軟-硬”層片微結(jié)構(gòu)是通過工業(yè)上最普遍的冷軋成型技術得到的，所以很容易在工業(yè)上得到規(guī)模化生產(chǎn)和應用。

責任編輯：班英飛

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