上海大学科研团队在纳米复合晶界韧化高强金属方向取得重要进展

近日，国际纳米科学与技术领域权威期刊《Nano Letters》以“Regain strain-hardening in high-strength metals by nanofiller incorporation at grain boundaries”为题，在线报道了纳米复合晶界韧化高强金属研究领域取得的重要进展（DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02375），上海交通大学为第一作者单位，论文共同第一作者为上海交通大学博士后李赞和清华大学博士生王昊天。该研究由上海交通大学、清华大学与美国布朗大学合作完成，通讯作者为上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室张荻教授、郭强特别研究员以及清华大学工程力学系李晓雁副教授，合作者还包括美国布朗大学工程学院高华健院士。

图1 基于纳米复合晶界能量调控制备高强韧金属铜：显微组织与力学性能

强度是衡量材料技术发展的主要指标之一，高强金属的应用对实现结构轻量化和节能减排具有重要意义。在众多强化机制中，晶粒细化是提高金属强度的重要途径。然而，当晶粒尺寸细化到亚微米和纳米量级，金属形变过程中的硬化能力降低，使得强度提高的同时塑/韧性急剧下降，即存在强度-塑/韧性的倒置关系。如何打破纳米晶/超细晶高强金属中这种普遍存在的倒置关系、获得高强/高韧的综合力学性能，一直是金属结构材料基础研究的核心目标与研究前沿。针对此瓶颈难题，张荻教授团队创新性地提出了通过引入纳米增强相降低金属的晶界能以克服纳米晶/超细晶金属中位错存储能力不足的“先天缺陷”，进而实现材料强度-塑/韧性均衡提高的新思路。在此思路指导下，研究团队制备了具有仿生砖砌结构的石墨烯增强超细晶铜基复合材料块材，在保持超细晶基体高强度的同时，实现了加工硬化能力与拉伸塑性的显著提升。研究团队进一步运用跨尺度组织表征、多重应力弛豫实验、分子动力学模拟等手段研究了形变过程显微组织演变规律、位错动力学行为，以及复合界面-基体位错的交互作用，揭示了基于金属界面能量调控的强韧化机制及其基本原理，为新型高强韧金属结构材料的发展与实际应用提供了理论依据与技术途径。

该项工作得到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的资助。

图2 多重应力弛豫实验研究形变过程中位错动力学行为

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图3 界面能的实验测定以及分子动力学模拟揭示碳纳米相的晶界能量调控行为