【給力三大獎(jiǎng)】中國(guó)科學(xué)報(bào)：“微納尺寸化”讓金屬更強(qiáng)韌

    大家常說“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”，金屬材料的強(qiáng)韌化也是如此。

    所謂強(qiáng)度，就是材料抵抗變形的能力；所謂塑性，就是材料在斷裂前能夠變形的程度，而韌性則是兩者在一種能量耗散上的類乘積式綜合度量。

    但遺憾的是，金屬材料的強(qiáng)度與塑性/韌性之間通常呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的反向制約關(guān)系，并已成為該學(xué)科發(fā)展的理論障礙和技術(shù)瓶頸。特別是金屬的理論強(qiáng)度，或稱為理想強(qiáng)度（無(wú)晶體缺陷的理想晶體的強(qiáng)度），被視作金屬?gòu)?qiáng)度的天花板，而在達(dá)到其理想強(qiáng)度的同時(shí)兼具塑性更是現(xiàn)有金屬難以企及的夢(mèng)想高度。

    近日，西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授孫軍團(tuán)隊(duì)用一項(xiàng)歷時(shí)十余年的研究成果告訴人們：微納尺寸化能夠讓金屬達(dá)到其理想強(qiáng)度并同時(shí)兼具大的塑性。他們完成的“金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)在與外在微納尺寸效應(yīng)”項(xiàng)目，獲得2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

    探秘金屬材料特性

    魚與熊掌難以兼得，金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌化亦是如此。孫軍團(tuán)隊(duì)從晶體缺陷入手，巧妙利用材料強(qiáng)度的內(nèi)在與外在尺寸效應(yīng)，為突破這一基礎(chǔ)性難題探索出了一條有效途徑。

    通過深入的研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用微納尺寸金屬單晶中孿晶變形抗力愈小愈強(qiáng)的強(qiáng)烈晶體外在尺寸效應(yīng)，在微柱直徑減小到亞微米時(shí)其最大流變應(yīng)力就可以達(dá)到其理想強(qiáng)度值，并保有相當(dāng)?shù)膲嚎s塑性。

    隨后，團(tuán)隊(duì)充分利用組元層厚度這一內(nèi)在尺寸效應(yīng)，結(jié)合其微納柱體的外在直徑尺寸效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了層厚等于或小于10納米的亞微米柱體壓縮強(qiáng)度均可超過同成分非晶合金的理想強(qiáng)度，并具有超過20%的壓縮塑性。

    該項(xiàng)目在《自然》《自然材料》等一流期刊發(fā)表的8篇代表作，被SCI他引577次；2篇論文入選ESI高被引論文，1篇入選“中國(guó)百篇最具影響力國(guó)際學(xué)術(shù)論文”，并被收入美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家編寫的3部學(xué)術(shù)專著；包括國(guó)際斷裂大會(huì)50分鐘主旨報(bào)告在內(nèi)的國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告30次；獲國(guó)際權(quán)威學(xué)者在《自然材料》等雜志上正面專題評(píng)述5次；部分成果入選2010年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”，獲得教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

    國(guó)際權(quán)威學(xué)者對(duì)該項(xiàng)目給予了高度評(píng)價(jià)，稱該項(xiàng)目“顛覆了長(zhǎng)期以來(lái)人們的直覺”，“為同步提高合金強(qiáng)度與延韌性提供了有效途徑，是一個(gè)非常好的、精致巧妙的、典型的范例”“提供了業(yè)界一直追求的高強(qiáng)韌性能組合”。

    讓交大走向世界舞臺(tái)

    1999年，孫軍獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，并受聘長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授后，開始組織并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行相關(guān)課題的研究工作。

    “當(dāng)時(shí)科研條件很差，我們還沒有自己專屬的辦公室和實(shí)驗(yàn)室。學(xué)校沒有能力加工科研所需材料，學(xué)生們就一趟趟跑外面實(shí)驗(yàn)室。”實(shí)驗(yàn)屢次失敗，雖然深受打擊，但是團(tuán)隊(duì)成員從不輕言放棄，大家不厭其煩地一遍遍做實(shí)驗(yàn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，也磨煉了堅(jiān)強(qiáng)的意志。

    功夫不負(fù)苦心人，2010年初，團(tuán)隊(duì)成功發(fā)現(xiàn)金屬孿晶變形的強(qiáng)烈晶體尺寸效應(yīng)，并在《自然》上發(fā)表研究論文，實(shí)現(xiàn)了西安交大《自然》論文“零的突破”。8年過去了，提到當(dāng)時(shí)論文發(fā)表時(shí)的情況，孫軍依然激動(dòng)不已：“由于有時(shí)差，發(fā)表當(dāng)天凌晨我就起來(lái)看文章。能夠?yàn)榻淮筘暙I(xiàn)第一篇《自然》，每位成員都感到無(wú)比激動(dòng)和幸福。”

    一枝獨(dú)秀不是春，百花齊放春滿園。談到從零開始取得成功的秘訣，孫軍認(rèn)為，這是因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)成員都堅(jiān)守著一個(gè)共同的目標(biāo)：希望自己的研究成果能夠被寫在教科書上，被國(guó)際同行認(rèn)可，讓西安交大走向世界，讓世界認(rèn)識(shí)西安交大。

    “能夠和這樣的團(tuán)隊(duì)成員合作，我感到三生有幸。”孫軍對(duì)于自己的團(tuán)隊(duì)充滿感恩。用他的話說，在交大西遷精神的滋養(yǎng)下，團(tuán)隊(duì)每位教師都有著“革命的集體英雄主義”情結(jié)。任曉兵、單智偉、馬恩和李巨等多位教師團(tuán)結(jié)互助，丁向東、劉剛等教師人品高尚，余倩、李蘇植和張金鈺等眾多學(xué)生已經(jīng)成長(zhǎng)為能夠獨(dú)當(dāng)一面的優(yōu)秀青年教師。

    青年教師張金鈺在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)十年，從學(xué)生到老師，再到今年國(guó)家“優(yōu)青”獲得者，不變的是他對(duì)團(tuán)隊(duì)的感情。“團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力十足，有凝聚力，在科研上我們擁有充分的自主權(quán)，教師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度更是在潛移默化中影響著青年師生，帶動(dòng)大家不忘初心、為科研之路奉獻(xiàn)青春。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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