進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和制造業(yè)的不斷升級(jí)，對(duì)高強(qiáng)度、高塑性、高導(dǎo)電性及抗疲勞金屬材料的需求日益迫切。因此，提升金屬材料的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電率及疲勞性能具有重要工程意義。然而，如何突破強(qiáng)度-塑性和強(qiáng)度-導(dǎo)電率之間制約關(guān)系，一直是金屬材料領(lǐng)域重大國(guó)際難題。張哲峰研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展金屬材料塑性變形、強(qiáng)韌化及高強(qiáng)-高導(dǎo)機(jī)制研究，通過(guò)揭示位錯(cuò)和電子對(duì)金屬材料強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電率的影響，近期在這一領(lǐng)域取得新進(jìn)展。

提出強(qiáng)度-導(dǎo)電率定量關(guān)系模型：基于金屬導(dǎo)線服役時(shí)位錯(cuò)滑移和電子輸運(yùn)與晶界交互作用機(jī)理，提出了晶粒寬度主要影響強(qiáng)度，晶粒長(zhǎng)度主要影響導(dǎo)電率，進(jìn)而提出了“細(xì)長(zhǎng)晶粒”設(shè)計(jì)高強(qiáng)-高導(dǎo)原理，采用“超細(xì)長(zhǎng)晶”技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了若干純鋁/銅導(dǎo)線強(qiáng)度和導(dǎo)電率同步提升，打破了強(qiáng)度-導(dǎo)電率之間制約關(guān)系（圖1）。進(jìn)一步地，根據(jù)提出的物質(zhì)傳導(dǎo)定律：即物質(zhì)通量密度與載荷梯度成正比，將細(xì)長(zhǎng)晶粒特征晶界與基體進(jìn)行串-并聯(lián)建模，推導(dǎo)出細(xì)長(zhǎng)晶粒、晶界特征與導(dǎo)電率和強(qiáng)度定量關(guān)系，澄清了垂直晶界和平行晶界長(zhǎng)徑比、數(shù)量以及尺寸對(duì)強(qiáng)度和導(dǎo)電率的定量影響機(jī)理，建立了細(xì)長(zhǎng)晶粒晶界空間分布特征參數(shù)與強(qiáng)度σ_gb和導(dǎo)電率E之間定量關(guān)系模型：

強(qiáng)度-導(dǎo)電率與晶粒-晶界特征定量關(guān)系如圖2所示。該研究結(jié)果發(fā)表在 Hou JP (侯嘉鵬等) Acta Materialia 281 (2024) 120390，Li XT (李孝滔等) Journal of Materials Science & Technology 213 (2025) 80-89和Fan XY (范雪圓等) Journal of Materials Science & Technology 220 (2025) 14-22上。

提出位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)臨界獨(dú)立空間模型：以金屬材料中影響強(qiáng)度-塑性關(guān)鍵因素—位錯(cuò)如何運(yùn)動(dòng)作為切入點(diǎn)，通過(guò)分解其在不同方向上的臨界距離，提出平行于滑移面方向的臨界塞積距離影響強(qiáng)度，而垂直于滑移方向的臨界捕獲距離影響塑性，計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)對(duì)于Al、Ag、Cu、Ni等純金屬，二者乘積恒定，該恒定值代表不同金屬中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)臨界獨(dú)立空間大小A*，反映了金屬材料本征強(qiáng)度-塑性水平。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)臨界獨(dú)立空間的提出揭示了金屬材料強(qiáng)度-塑性相互制約的內(nèi)在原因。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過(guò)合金化降低層錯(cuò)能、增加短程有序和降低溫度可減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)臨界獨(dú)立空間，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-塑性同步提升（圖3），該研究結(jié)果發(fā)表在Liu R (劉睿等) Journal of Materials Science & Technology,224 (2025) 239-244上。

建立金屬材料強(qiáng)度-塑性制約關(guān)系定量模型：基于位錯(cuò)塞積機(jī)制理解，通過(guò)考慮位錯(cuò)塞積誘發(fā)應(yīng)變和應(yīng)力集中，分別推導(dǎo)出多晶金屬材料強(qiáng)度-塑性關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而建立了單相金屬材料強(qiáng)度-塑性制約關(guān)系定量模型：

其中，σ_b和ε_U分別表示拉伸強(qiáng)度和均勻延伸率。對(duì)比大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該制約關(guān)系定量模型與大量金屬材料拉伸強(qiáng)度-塑性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，如圖4(a)所示。該模型表明：不改變金屬合金成分，單純通過(guò)調(diào)控晶粒尺寸難以同步提升其強(qiáng)度和塑性水平。同時(shí)模型中三個(gè)材料參數(shù)對(duì)應(yīng)于強(qiáng)度-塑性協(xié)同提高的三個(gè)機(jī)制：1)增加位錯(cuò)本征滑移阻力；2)改善界面強(qiáng)度；3)促進(jìn)滑移均勻化；建立的強(qiáng)度-塑性制約（trade-off model）關(guān)系定量模型總結(jié)如圖4(b)所示，該研究結(jié)果發(fā)表在Li XT (李孝滔等) Acta Materialia 289 (2025) 120942上。

上述研究表明：金屬材料不同性能之間的相互制約關(guān)系是普遍存在的，但導(dǎo)致性能之間相互制約的內(nèi)在原因有所不同。其中力學(xué)性能—功能性能這類制約關(guān)系往往受多因素控制：如強(qiáng)度-導(dǎo)電率制約關(guān)系，二者分別受位錯(cuò)行為和自由電子散射的不同影響；這種情況下，可以不改變合金成分而僅通過(guò)組織調(diào)控突破強(qiáng)度-導(dǎo)電率制約關(guān)系，如通過(guò)拉拔導(dǎo)線增加纖維晶粒中平行晶界數(shù)量阻礙位錯(cuò)提高強(qiáng)度，減少導(dǎo)線纖維晶粒中垂直晶界數(shù)量降低電子散射而提高導(dǎo)電率，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-導(dǎo)電率同步提升。而強(qiáng)度-塑性之間制約關(guān)系則通常僅受單因素—位錯(cuò)行為控制，這種情況下，受合金成分影響的本征因素是影響強(qiáng)度-塑性相互制約關(guān)系的關(guān)鍵，因而常規(guī)的微觀組織調(diào)控難以改變位錯(cuò)本征行為，很難從根本上突破強(qiáng)度-塑性制約關(guān)系。通過(guò)揭示位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)臨界獨(dú)立空間可反映不同金屬合金中位錯(cuò)本征行為，進(jìn)一步通過(guò)建立強(qiáng)度-塑性制約關(guān)系定量模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一本征制約關(guān)系的定量描述，可為不同金屬合金強(qiáng)度-塑性水平預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)制備提供參考。上述研究成果可為深入理解金屬材料不同性能之間制約關(guān)系提供理論依據(jù)，并為實(shí)際服役條件下對(duì)金屬材料綜合性能的不同需求提供有效的應(yīng)對(duì)措施。

上述研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、重大(52494932)、重點(diǎn)(52130002)及優(yōu)青(52322105)基金項(xiàng)目資助。

圖1 超細(xì)長(zhǎng)晶銅導(dǎo)線強(qiáng)度-導(dǎo)電率突破

圖2 細(xì)長(zhǎng)晶粒-晶界空間分布特征參數(shù)與強(qiáng)度-導(dǎo)電率定量關(guān)系

圖3 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)臨界獨(dú)立空間及影響強(qiáng)度-塑性制約關(guān)系的主要因素

圖4 金屬材料強(qiáng)度-塑性制約（trade-off model）關(guān)系定量模型驗(yàn)證及總結(jié)

AI讀進(jìn)展：金屬材料性能突破：如何讓材料既強(qiáng)韌又導(dǎo)電？