金属所揭示纳米金属的本征拉伸塑性和变形机制

2011-2-18 09:02 来源: 中国科学院
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  最近,中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢柯研究组在提高纳米金属的塑性和韧性方面取得重要突破。他们发现,梯度纳米(GNG)金属铜既具有极高的屈服强度又具有很高的拉伸塑性变形能力。这种兼备高强度和高拉伸塑性的优异综合性能为发展高性能工程结构材料开辟了一条全新的道路。该研究成果发表在美国《科学》(Science)杂志上(2月17日在线)。

  工程结构材料的理想性能通常是高强度和高韧塑性,然而,强度与韧塑性往往不可兼得。高强材料的塑性往往很差,而具有良好塑性的材料其强度很低。纳米金属材料(即晶粒尺寸在纳米尺度的多晶金属)是一种典型的高强材料,其强度比普通金属高一个量级,但其几乎没有拉伸塑性。如何提高纳米金属的塑性和韧性成为近年来国际材料领域中的一项重大科学难题。

  梯度纳米结构是指晶粒尺寸在空间上呈梯度分布。卢柯研究组利用表面机械碾磨处理(SMGT)在纯铜棒材表面成功制备出梯度纳米结构,自表及里晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至微米尺度,棒材芯部为粗晶结构(晶粒尺寸为几十微米),这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。梯度纳米结构层具有很高的拉伸屈服强度,最外表层50μm厚梯度纳米结构的屈服强度高达660MPa(是粗晶铜的10倍)。室温拉伸实验表明,具有梯度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整未出现裂纹,表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制,微观结构研究表明,梯度纳米结构在拉伸过程中其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移,从而导致伴随的晶粒长大。这种变形机制与位错运动、孪生、晶界滑移或蠕变等传统的材料变形机制截然不同。

  表面机械碾磨处理是近年来中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室发展的一种制备梯度纳米结构的新技术,其制备工艺简单,适宜工业应用。这种新技术的发展不但推动了梯度纳米金属的基本性能研究,也对高性能梯度纳米表层材料的工业应用及材料表面工程技术的发展有重要促进作用。

  图A是纳米梯度/粗晶样品拉伸断裂后纵截面观察;图B是图A中位置B处(真应变24%)的扫描电镜照片。图C与D分别是图A中位置C(真应变54%)和D处(真应变127%)的EBSD图像。图B-D显示的是纳米晶粒经不同拉伸应变后发生的晶粒长大。