長期以來，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重要且棘手的科學問題之一。它的重要性源于提高應變硬化可同時提高材料強度和塑性；而棘手性在于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。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而顯著降低其加工硬化，低溫變形亦是如此。應變硬化能力的降低是造成結構材料強度-塑性/韌性等性能倒置的根本原因。中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員盧磊團隊在這一科學難題方面取得了重要研究進展。9月14日，相關研究成果在線發表在《科學》(Science)上。
 

　　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(圖1)，顛覆了粗晶結構具有最高加工硬化能力的固有認識。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。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(圖2)。空間梯度序構、位錯胞本征結構以及低溫環境協同，激發了超高密度二維平面層錯疇主導的應變硬化完全不同于位錯、孿生及相變等傳統應變硬化機制。
 

　　上述成果是本團隊繼發現梯度納米孿晶金屬的額外強化與加工硬化、梯度位錯結構的高強塑性后，又一次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。該研究發展了晶體材料的應變硬化理論，為研發高性能金屬材料及極端環境應用提供了新的機遇與挑戰。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院和沈陽材料科學國家研究中心等的支持。美國學者在同步輻射X射線表征、中國科學院力學研究所研究員武曉雷團隊在低溫力學性能、金屬所研究員陶乃镕在結果分析討論方面做出了貢獻。
 

　　圖1.?梯度位錯結構(GDS)合金及其典型低溫力學行為。(A)狗骨頭棒狀宏觀拉伸樣品；(B)樣品截面示意圖，顯示自表(深藍色)及芯(淺灰色)梯度結構分布；(C)梯度位錯管狀樣品標距段三維X-射線重構形貌(管壁厚度~0.45 mm)；(D)GDS、管狀GDS和粗晶的拉伸工程應力-應變曲線和(E)真應力-應變曲線；(F)均勻塑性與歸一化抗拉強度曲線，表明梯度位錯結構合金的優異低溫綜合力學性能。
 

　　圖2.?梯度位錯結構表層77 K拉伸結構演變特征。拉伸應變3%時截面SEM(A)和TEM(B)結果，晶粒內不同滑移面上相互交割的層錯束穿過多個位錯胞；(C)對應的HAADF-STEM結果表明層錯束包含超高密度的層錯和孿晶結構。拉伸應變40%時截面SEM(D-E)和TEM(F)結果，晶粒內已產生高密度細化結構-納米層錯疇；(G)對應的HAADF-STEM結果表明位錯胞被極小層錯疇進一步細化；(H)77 K拉伸變形過程中由原始位錯胞逐漸轉變為高密度亞十納米層錯疇的動態結構細化示意圖。