近日，河北工業(yè)大學(xué)原子尺度研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Science Advances上發(fā)表了題為“Enhancing strength and ductility via crystalline-amorphousnanoarchitectures in TiZr-based alloys”的研究論文，揭示了納米尺度晶體-非晶三維雙聯(lián)續(xù)結(jié)構(gòu)有助于改善材料強(qiáng)度和塑性的固有矛盾，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度和塑性的同時(shí)提升。論文的第一作者為河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院明開勝副教授，中科院金屬所朱正旺研究員為共同一作，通訊作者為河北工業(yè)大學(xué)鄭士建教授、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校王健教授和北京大學(xué)韋小丁教授。論文第一通訊單位為省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/材料科學(xué)與工程學(xué)院。
強(qiáng)度和塑性是金屬結(jié)構(gòu)材料的兩個(gè)重要力學(xué)性能。但是，強(qiáng)度的提高往往伴隨著其塑性的降低，即強(qiáng)度和塑性呈倒置關(guān)系。例如，細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化會(huì)降低應(yīng)變硬化能力，從而降低塑性。金屬非晶材料（又稱金屬玻璃）通常要比對(duì)應(yīng)的晶體材料具有更高的強(qiáng)度，但是其在<2%塑性應(yīng)變下就會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的脆性斷裂。由連續(xù)的非晶基體和微米尺度晶體枝晶組成的金屬玻璃基復(fù)合材料（MGMC，如圖1a-b所示）能夠在一定程度上協(xié)調(diào)強(qiáng)度和塑性，但是MGMC在拉伸下沒(méi)有應(yīng)變硬化能力，所以MGMC的抗拉強(qiáng)度無(wú)法得到有效提升。
與晶體材料不同，隨著特征尺寸減小到納米級(jí)，金屬玻璃的變形能力顯著增強(qiáng)。因此，由納米非晶相和晶體相組成的晶體-非晶復(fù)合材料有望同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高塑性。作者設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的TiZr基納米晶-非晶復(fù)合材料，該合金由等軸的微米晶組成，且每個(gè)晶粒內(nèi)部由三維雙連續(xù)晶體-非晶納米雙相結(jié)構(gòu)(3Dbicontinuous crystalline-amorphous nanoarchitectures，3D-BCAN) 組成（圖1）。
圖1. 三維雙連續(xù)晶體-非晶納米雙相結(jié)構(gòu)(3D-BCAN)
亞穩(wěn)的晶體相通過(guò)位錯(cuò)滑移和馬氏體相變產(chǎn)生塑性變形，而納米非晶相由于界面約束表現(xiàn)出均勻的塑性變形。如圖2a-c原位拉伸測(cè)試表明，與單一晶體和非晶相材料相比，3D-BCAN 表現(xiàn)出更加優(yōu)異的塑性和應(yīng)變硬化能力，使TiZr 基合金具有超高屈服強(qiáng)度（~1.80 GPa）、抗拉強(qiáng)度（~2.3 GPa）和高塑性（均勻延伸率~7.0%）。結(jié)合透射電子顯微鏡觀察（圖2d）和有限元模擬（圖2e），作者揭示了晶體-非晶納米雙相結(jié)構(gòu)協(xié)同變形機(jī)制，即非晶相對(duì)晶體相施加額外的應(yīng)變硬化，而晶體相阻止了非晶相中的過(guò)早剪切局部化。這些獨(dú)特的機(jī)制賦予TiZr 基合金優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性和應(yīng)變硬化能力。該研究提供了一種通過(guò)三維雙連續(xù)納米雙相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)制備高強(qiáng)韌晶體-非晶納米復(fù)合材料的新策略。
圖2. （A）TiZr基納米晶非晶復(fù)合材料的拉伸真應(yīng)力應(yīng)變曲線；（B-C）原位拉伸前后樣品的SEM圖片；（D）TEM分析和（E）有限元模擬表明塑性變形首先均勻發(fā)生在晶體區(qū)域，然后在非晶區(qū)域形成大量均勻分布的微小剪切變形區(qū)。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abm2884?af="R
作者簡(jiǎn)介：
鄭士建，河北工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，2014年入選中科院“百人計(jì)劃”，2016年入選國(guó)家“海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃”青年項(xiàng)目。長(zhǎng)期致力于金屬結(jié)構(gòu)材料與能源材料的原子尺度研究，研究成果揭示了高溫、高應(yīng)力、強(qiáng)輻照等極端使役環(huán)境下原子尺度界面結(jié)構(gòu)對(duì)高溫合金、鈦合金、層狀金屬材料力學(xué)性能、抗核輻照損傷性能的影響規(guī)律，以及能源電池材料服役過(guò)程中原子尺度衰變機(jī)制。在Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Scripta Materialia 等高水平期刊發(fā)表SCI論文130余篇，引用近5000次，并受邀在（國(guó)際塑性、損傷與斷裂會(huì)議等）高水平國(guó)際會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告，主持或參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目11項(xiàng)。獲河北省政府特殊津貼（2019）、天津市創(chuàng)新類領(lǐng)軍人才（2019）等榮譽(yù)，并任中國(guó)電子顯微鏡學(xué)會(huì)（2016-至今）等學(xué)會(huì)理事。
明開勝，副教授，博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)“元光學(xué)者”啟航A崗，于2020年1月畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，并于同年4月加入河北工業(yè)大學(xué)。于2017.09-2019.09在美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校公派留學(xué)。于2021年任Coatings 期刊客座編輯。研究方向?yàn)樾滦透邚?qiáng)韌金屬材料（包括高熵合金、晶體-非晶納米復(fù)合材料）設(shè)計(jì)、強(qiáng)韌化機(jī)理以及多尺度形變機(jī)制。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、河北省高層次留學(xué)人才回國(guó)資助項(xiàng)目、河北省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目等；以第一作者或者通訊作者在Science Advances、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia 等高水平期刊發(fā)表論文15篇，其中2篇入選ESI高被引論文。獲得榮譽(yù)包括北京航空航天大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生、北京航空航天大學(xué)優(yōu)秀博士論文、博士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、寶鋼優(yōu)秀學(xué)生獎(jiǎng)、河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院“突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”等。
文圖/材料科學(xué)與工程學(xué)院 審核/鄭士建
