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如何理解結構梯度對力學性能影響規律是目前研究難點，原因之一是現有技術很難制備出結構梯度精確可調控的塊體材料，從而嚴重限制了人們對梯度結構金屬內在梯度與力學性能相關性以及其本征變形機制的理解。

盧磊研究小組利用直流電解沉積技術，實現孿晶片層厚度和晶粒尺寸沿樣品厚度的梯度變化，獲得結構梯度定量可控的納米孿晶銅材料。研究表明，隨結構梯度增加，梯度納米孿晶銅的強度和加工硬化率同步提高；當結構梯度足夠大時，其強度甚至超過了梯度微觀結構中最強的部分。微觀結構分析與分子動力學計算模擬結合發現，梯度納米孿晶銅額外的強化和加工硬化歸因于梯度結構約束而產生的大量幾何必需位錯富集束，且沿著梯度方向均勻分布在晶粒內部。這種均勻分布并且具有超高位錯密度的位錯富集束在材料變形過程中通過阻礙位錯運動，抑制晶界應變局域化來提高梯度納米孿晶結構的強度和加工硬化。該研究為發展新一代高強度/延性金屬材料提供了新思路。

圖.梯度納米孿晶結構引起金屬材料的額外強化和塑性。梯度納米孿晶結構（GNT）具有孿晶片層厚度和晶粒尺寸的空間梯度結構。該材料表現出了良好的強-塑性協同，其屈服強度甚至超過了梯度微觀結構中最強的部分。梯度納米孿晶結構綜合拉伸性能優異于及依靠非均勻結構變形機制強化的梯度納米晶結構（GNG）和層狀結構（multilayer）以及均勻納米孿晶（NT）等結構。

在國家自然科學基金項目（項目編號：51420105001）等資助下，中國科學院金屬研究所盧磊研究員課題組和美國布朗大學高華健教授研究組合作研究，發現增加結構梯度可實現梯度納米孿晶結構材料強度和加工硬化的協同提高。研究結果以“Extra Strengthening and Work Hardening in Gradient Nanotwinned Metals”（ 梯度納米孿晶金屬的超強化和加工硬化）為題，于2018年11月2日在Science（《科學》）上在線發表。

論文鏈接: 

http://dx.doi.org/10.1126/science.aau1925。

文章來源：工程與材料科學部　  作者：鄭雁軍 鄧意達

IEEE Spectrum

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