在金屬材料領(lǐng)域，強(qiáng)度和塑性的不可兼得嚴(yán)重影響了其工程應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計。人們已經(jīng)提出了許多策略來提高金屬的強(qiáng)度，但不可避免地會降低甚至破壞材料的塑性。塑性不足已成為高強(qiáng)金屬材料的“致命弱點”。微觀原因是位錯滑移導(dǎo)致應(yīng)變局部化產(chǎn)生頸縮，剪切帶開裂，最終導(dǎo)致災(zāi)難性破壞。因此，簡單的方法可能很難解決強(qiáng)度-塑性權(quán)衡問題。

梯度顯微組織金屬的晶粒尺寸從最上層的納米級增加到內(nèi)部的微米級，獲得了強(qiáng)度塑性協(xié)同的力學(xué)性能。這種晶粒尺寸的有序分布會引起宏觀應(yīng)變梯度，并將單向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為多軸應(yīng)力，這是由于沿梯度方向演化的非協(xié)調(diào)變形造成的。因此，可以降低應(yīng)變局部化壓力，實現(xiàn)獨特的超常應(yīng)變硬化，從而獲得更高的延性和韌性。此外，梯度顯微組織涉及幾個相和/或化學(xué)成分的有序分布。這表明晶粒實質(zhì)也是沿梯度方向變化的。材料不同位置的主導(dǎo)變形機(jī)制不盡相同，位錯運動傳播所需的臨界應(yīng)力/應(yīng)變也是不同的。這些特性可以在施加載荷的情況下產(chǎn)生逐步變形過程。這樣就避免了位錯的長距離積累，抑制了剪切帶和裂紋。

近日，來自北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、香港城市大學(xué)、西安交大、上海理工大學(xué)等五所國內(nèi)知名高校聯(lián)合的一項最新研究，開發(fā)了一種數(shù)值模型用以設(shè)計梯度微結(jié)構(gòu)金屬材料，這一模型涉及到金屬合金中晶粒尺寸、孿晶、馬氏體和奧氏體的梯度分布。通過實驗對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了驗證。獲得了高強(qiáng)度、高塑性和相當(dāng)大硬化能力的金屬材料，成功地解決了結(jié)構(gòu)金屬材料的強(qiáng)塑性矛盾問題。相關(guān)論文以題為“Theory of designing the gradient microstructured metals for overcoming strength-ductility trade-off”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.03.045

研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度的提高歸因于上表層晶粒尺寸的減小和馬氏體相變。它們可以使材料更強(qiáng)，但在某種程度上容易引發(fā)裂紋。然后，由于亞表面的延性奧氏體，有效地防止了裂紋沿深度方向的張開和擴(kuò)展。微觀結(jié)構(gòu)中的相互作用機(jī)制可以防止材料的失效。力學(xué)上可以解釋為宏觀應(yīng)變梯度引起的額外應(yīng)變硬化，以及不同相和不同晶粒尺寸的材料應(yīng)力狀態(tài)變化的結(jié)果，從而獲得了很大的延展性。此外，即使材料整體發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，也沒有引起明顯的裂紋。

總的來說，這項工作提出了一種克服金屬強(qiáng)塑性矛盾的梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值模型，并對數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證，證明了其有效性。為設(shè)計高強(qiáng)度、高塑性和高硬化能力的梯度組織金屬材料提供了一條有效途徑。（文：馮馮、董瑞）

圖1梯度組織的材料模型（包括奧氏體和馬氏體的晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)以及金屬材料中的孿晶特征）

圖2梯度結(jié)構(gòu)材料的顯微組織（a）未經(jīng)處理的表層平均尺寸約為10μm的細(xì)小晶粒；（b）處理表面層平均尺寸約為3~8 nm納米晶粒；（c）板條馬氏體，寬度平均尺寸約100 nm，并伴有大量位錯；（d）晶粒內(nèi)平均間距約為200 nm的納米孿晶

圖3.梯度微結(jié)構(gòu)金屬的模擬結(jié)果（a）包括晶粒尺寸、馬氏體、奧氏體和孿生在內(nèi)的梯度組織的結(jié)構(gòu)；（b）參照均勻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖4.所設(shè)計的梯度結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)機(jī)制。（a）壓縮破壞中的未張開的裂紋；（b）剪切帶的分散伴隨著起始的塑性流動；（c）產(chǎn)生均勻伸長的整體塑性流動；（d）在整體和嚴(yán)重的塑性流動過程中沒有明顯的裂紋。