記者9月21日從中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心獲悉,該中心盧磊研究員團隊在金屬材料低溫應變硬化研究方面取得重要進展。這是該團隊繼2018年發現梯度納米孿晶金屬的額外強化與加工硬化、2021年發現梯度位錯結構的高強塑性之后,發現梯度序構位錯結構可激活原子尺度多滑移層錯實現晶體低溫超高應變硬化。相關研究結果近日發表于《科學》。
據悉,該發現不僅發展了晶體材料的應變硬化理論,還為研發高性能金屬材料及其極端環境應用提供了新機遇與挑戰。此前,相關研究普遍認為,粗晶中位錯存儲空間大而具有最強的應變硬化能力,諸多強化策略可有效提升材料強度,但不可避免會降低位錯存儲密度,從而顯著降低其加工硬化,低溫變形亦是如此。追蹤溯源,應變硬化能力的降低是造成結構材料強度與塑性、韌性等性能倒置的根本原因。
研究人員介紹,基于位錯理論的晶體材料應變硬化被視為現代凝聚態物理和材料科學領域里最重要且棘手的科學問題之一。其重要性源于提高應變硬化可同時提高材料強度和塑性,但因為應變硬化涉及宏量應變載體(位錯)的增殖、交互作用、湮滅、重排等極其復雜的動態演變過程,且存儲位錯的飽和密度依賴于微觀結構。
據介紹,具有空間梯度序構位錯胞結構的合金在低溫拉伸變形時不僅具有優異的強度和塑性,而且表現出超高的應變硬化能力,其應變硬化率甚至超過粗晶,顛覆了粗晶結構具有最高加工硬化能力的固有認識。
盧磊研究員說,這種低溫超高應變硬化源于多滑移原子尺度層錯束萌生主導的動態結構細化,這種細化形成的亞十納米層錯疇既能顯著阻礙位錯運動,又能高效存儲更高密度的位錯。在空間梯度序構、位錯胞本征結構以及低溫環境協同下,激發了超高密度二維平面層錯疇主導的應變硬化,這完全不同于位錯、孿生及相變等傳統應變硬化機制,從而使金屬材料在低溫下實現應變硬化。
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