近日，河北工業(yè)大學原子尺度研究團隊在國際頂級學術(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)有助于改善材料強度和塑性的固有矛盾，實現(xiàn)材料強度和塑性的同時提升。論文的第一作者為河北工業(yè)大學材料學院明開勝副教授，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)大學鄭士建教授、內(nèi)布拉斯加大學林肯分校王健教授和北京大學韋小丁教授。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家重點實驗室/材料科學與工程學院。
強度和塑性是金屬結(jié)構(gòu)材料的兩個重要力學性能。但是，強度的提高往往伴隨著其塑性的降低，即強度和塑性呈倒置關(guān)系。例如，細晶強化和第二相強化會降低應變硬化能力，從而降低塑性。金屬非晶材料（又稱金屬玻璃）通常要比對應的晶體材料具有更高的強度，但是其在<2%塑性應變下就會出現(xiàn)災難性的脆性斷裂。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合材料（MGMC，如圖1a-b所示）能夠在一定程度上協(xié)調(diào)強度和塑性，但是MGMC在拉伸下沒有應變硬化能力，所以MGMC的抗拉強度無法得到有效提升。
與晶體材料不同，隨著特征尺寸減小到納米級，金屬玻璃的變形能力顯著增強。因此，由納米非晶相和晶體相組成的晶體-非晶復合材料有望同時獲得高強度和高塑性。作者設計了一種獨特的TiZr基納米晶-非晶復合材料，該合金由等軸的微米晶組成，且每個晶粒內(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)的晶體相通過位錯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)異的塑性和應變硬化能力，使TiZr 基合金具有超高屈服強度（~1.80 GPa）、抗拉強度（~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)同變形機制，即非晶相對晶體相施加額外的應變硬化，而晶體相阻止了非晶相中的過早剪切局部化。這些獨特的機制賦予TiZr 基合金優(yōu)異的強度、塑性和應變硬化能力。該研究提供了一種通過三維雙連續(xù)納米雙相結(jié)構(gòu)設計來制備高強韌晶體-非晶納米復合材料的新策略。
圖2. （A）TiZr基納米晶非晶復合材料的拉伸真應力應變曲線；（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
作者簡介：
鄭士建，河北工業(yè)大學教授，博士生導師，2014年入選中科院“百人計劃”，2016年入選國家“海外高層次人才引進計劃”青年項目。長期致力于金屬結(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、高應力、強輻照等極端使役環(huán)境下原子尺度界面結(jié)構(gòu)對高溫合金、鈦合金、層狀金屬材料力學性能、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程中原子尺度衰變機制。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（國際塑性、損傷與斷裂會議等）高水平國際會議上做邀請報告，主持或參與國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目11項。獲河北省政府特殊津貼（2019）、天津市創(chuàng)新類領軍人才（2019）等榮譽，并任中國電子顯微鏡學會（2016-至今）等學會理事。
明開勝，副教授，博士生導師，河北工業(yè)大學“元光學者”啟航A崗，于2020年1月畢業(yè)于北京航空航天大學，并于同年4月加入河北工業(yè)大學。于2017.09-2019.09在美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校公派留學。于2021年任Coatings 期刊客座編輯。研究方向為新型高強韌金屬材料（包括高熵合金、晶體-非晶納米復合材料）設計、強韌化機理以及多尺度形變機制。先后主持國家自然科學基金青年項目、河北省高層次留學人才回國資助項目、河北省自然科學基金青年項目等；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。獲得榮譽包括北京航空航天大學優(yōu)秀畢業(yè)生、北京航空航天大學優(yōu)秀博士論文、博士研究生國家獎學金、寶鋼優(yōu)秀學生獎、河北工業(yè)大學材料科學與工程學院“突出貢獻獎”等。
文圖/材料科學與工程學院 審核/鄭士建
