相對于傳統(tǒng)金屬材料，梯度納米金屬展現(xiàn)出了非常優(yōu)秀的力學(xué)性能，是一類前途光明的新型材料。7月8日，清華大學(xué)李曉燕，中科院沈陽金屬研究所盧磊研究院等人在材料學(xué)科頂刊《Nature reviews materials》雜志發(fā)表了關(guān)于梯度納米金屬合金的力學(xué)性能及變形機理的綜述性文章，該論文全面總結(jié)了納米梯度金屬材料的制備，力學(xué)性能，變形機理以及未來的發(fā)展方向，下面筆者就帶大家精度這篇文獻(xiàn)。

1.梯度納米金屬材料的制備和組織結(jié)構(gòu)特征

經(jīng)過二三十年的研究，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了很多梯度那米金屬材料的制備方法，其主要包括：表面機械處理（例如表面摩擦），累積疊軋，激光沖擊，物理化學(xué)沉積，磁控濺射和3D打印。其中表面機械處理時最常用的方法，圖1位典型的表面機械處理的方法。

圖1 表面機械處理方法

a：表面機械摩擦處理（SMAT）是對板狀試樣進(jìn)行表面機械摩擦處理的一種方法；

b：表面機械磨削處理（SMGT）用于處理圓柱形樣品；

c：表面機械軋制處理（SMRT）用于處理圓柱形樣品。

梯度金屬合金的微觀組織表現(xiàn)為晶粒的尺寸呈現(xiàn)梯度分布，沿某一方向由小變大或者由大變小。這種梯度組織分布非常有規(guī)律，圖2位典型的梯度納米金屬的微觀結(jié)構(gòu)的掃描，透射照片。

圖2 梯度納米晶、梯度納米片層和梯度納米孿晶金屬的微觀結(jié)構(gòu)

a：梯度納米晶銅的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，隨著深度的增加，晶粒尺寸增大。右邊是不同深度顆粒的透射電子顯微鏡（TEM）圖像；

b：梯度納米胺化鎳的微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像顯示了三個不同的具有納米結(jié)構(gòu)（NS）的區(qū)域，超微晶粒（UFG）和超層結(jié)構(gòu)（UFL）隨深度的增加而增加，右邊為不同深度的透射照片；

c：梯度納米孿晶銅的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像顯示，隨著深度的增加，晶粒尺寸和孿晶厚度逐漸減小。右邊是不同深度的顆粒和孿晶的TEM圖像。

2.力學(xué)性能

之前許多研究都顯示梯度納米金屬材料具有良好的強塑性協(xié)調(diào)能力，非凡的加工硬化，超好的疲勞性能和優(yōu)異的耐摩擦，剪切和腐蝕性能。如圖3所示，與傳統(tǒng)金屬材料相比，梯度那米金屬材料的力學(xué)性能更加優(yōu)異。圖4則全面比較了梯度納米金屬材料與傳統(tǒng)材料的疲勞和剪切行為，可以看出，梯度納米金屬的力學(xué)性能分成出眾。

圖3 梯度納米結(jié)構(gòu)和均質(zhì)金屬及合金力學(xué)性能的比較

a：具有納米晶粒、納米雙晶和梯度納米結(jié)構(gòu)的各種金屬和合金的歸一化屈服強度與均勻延伸率的比較；香蕉形實體曲線表示常規(guī)金屬和合金的強度延展性的平衡，虛線表示梯度納米晶、均勻納米孿晶（NT）和多層微觀結(jié)構(gòu)的強度延展性極限；

b：在粗晶（CG）、納米晶（NG）和GNG Ni中，加工硬化速率隨真應(yīng)變的變化；

c：梯度納米孿晶（GNT）和NT Cu的加工硬化速率隨真應(yīng)變的變化；

d：CG鋼和GNG鋼的加工硬化速率隨真應(yīng)變的變化。這些圖顯示了梯度納米結(jié)構(gòu)金屬和合金的強度-延性協(xié)同和特殊的加工硬化。

圖4 梯度納米結(jié)構(gòu)和均勻金屬及合金疲勞和摩擦行為的比較

a： 疲勞壽命（Δσ/ 2,σ是壓力）在梯度nanograined （GNG）和粗粒度（CG）銅依賴的外加應(yīng)力振幅關(guān)系；

b：在總應(yīng)變振幅為（Δεt / 2） 0.29%和0.5%的GNG和CG銅的循環(huán)應(yīng)力反；

c：納米孿晶鋼和CG鋼鐵應(yīng)疲勞裂紋增長率（da / dN,裂紋長度和N周期數(shù)）作為應(yīng)力強度因子范圍的函數(shù)（ΔK）；

d：CG、納米晶粒（NG）和GNG銅合金滑動后的表面形貌。

3.變形機理

梯度納米金屬材料獨特的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在變形時呈現(xiàn)出獨特的變形機制，目前為止發(fā)現(xiàn)的變形機制包括形成塑性應(yīng)變梯度，獨特的位錯機構(gòu)，不均勻變形誘導(dǎo)的應(yīng)力，晶粒粗化和各種機理之間的協(xié)同作用。圖5包含了各種變形機理及其相互之間的聯(lián)系。

圖5 梯度納米結(jié)構(gòu)金屬和合金的變形機理

a：由A、B和C組成的梯度納米顆粒（GNG）結(jié)構(gòu)模型；晶粒尺寸從頂部和底部到中心逐漸增大；

b： GNG金屬及其構(gòu)件A、B、C的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示構(gòu)件在I、II、III和IV四個典型變形階段的逐步屈服；

c：板B中A、B、C三個分量的應(yīng)變從I階段到IV階段的演化。e和p分別代表彈性和塑性應(yīng)變。e+p表示彈塑性應(yīng)變共存；

d和e 采用有限元模擬方法計算了二維GNG Cu試樣在單軸拉應(yīng)力和塑性應(yīng)變作用下的截面軸向拉應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布，結(jié)果表明，應(yīng)力和塑性應(yīng)變梯度源于粒度梯度，是梯度應(yīng)力和塑性應(yīng)變場的遞進(jìn)發(fā)展；

f：幾何必要位錯（GNDs）的分布說明；用近晶界（GBs）表示，在塑性變形的GNG結(jié)構(gòu)中；

g：形變梯度納米孿晶銅的透射電子顯微鏡圖像在晶粒和孿晶尺寸上具有雙重梯度。紅色箭頭表示一束集中的位錯；

h和I g圖中白色方格區(qū)域的TEM圖像；

k：應(yīng)力-應(yīng)變卸載-重新加載的GNG樣品；

l和m在室溫下5%和25%不同拉伸應(yīng)變下GNG Cu頂表面的TEM圖像，表明由于塑性變形下GB遷移導(dǎo)致晶粒均增粗；

o：GB偏移與剪切變形耦合

4.未來展望

作為一種新興的納米結(jié)構(gòu)材料，GNS金屬和合金獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能，這在同類材料中是不可能的。這些力學(xué)性能源于梯度微觀結(jié)構(gòu)，其中許多不均勻的塑性變形機制被激活，包括多種變形特征和機制，包括明顯的應(yīng)變梯度，新的位錯活動和機械驅(qū)動晶粒粗化。雖然GNS金屬和合金的制造和力學(xué)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但仍有許多關(guān)鍵問題需要解決。在此，作者強調(diào)了GNS材料進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新的一些關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)（圖6）。

圖6 梯度納米結(jié)構(gòu)金屬和合金的開放問題和挑戰(zhàn)

受梯度納米材料領(lǐng)域近年來快速發(fā)展的啟發(fā)，總結(jié)了梯度納米材料發(fā)展中存在的問題和挑戰(zhàn)。有些問題也更普遍地適用于非均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料

參考文獻(xiàn)：

Xiaoyan Li , Lei Lu, Jianguo Li , Xuan Zhang and Huajian Gao，Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys，Nature reviews materials，2020.

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41578-020-0212-2