梯度纳米孪晶铜的强化机制与变形行为：加工硬化差异影响的探索

梯度纳米结构金属材料（GNS），以其独特的从纳米到微米的空间梯度微观结构，展现出卓越的机械特性，如高强度与优良的延展性。这一梯度结构的优势被认为源于不同区域间屈服强度或硬度的差异。基于现有应变梯度塑性理论，梯度微观结构内塑性应变梯度与渐进塑性屈服伴随位错的繁殖与累积，进而可能产生额外强化与加工硬化现象。具体到梯度纳米孪晶(Cu-GNTs)，其中的硬度或强度梯度已被定量地关联于纳米孪晶厚度的不同梯度分布，并且硬度/强度梯度通常会随着梯度的变化而增加。

中国科学院沈阳金属研究所卢磊团队成功制备了一系列Cu-GNS（三明治结构），其中表层固定硬度成分，而中心层硬度随加工硬化能力的不同而变化。该团队深入阐述了加工硬化差异对于拉伸性能、弹塑性转变以及变形机制的具体影响。相关研究成果以"Work hardening discrepancy designing to strengthen gradient nanotwinned Cu"为主题发表于Scripta Materialia期刊上。

为了进行此研究，团队采用直流电沉积法制备了四种均匀纳米孪晶Cu (HNT-A, B, C, D)，电解液温度分别设定为20、25、30和35℃。构建了三种不同的Cu-GNS样本（GNT-AB, AC, AD），这些样本的表层皆为A，中心层则依次为B至D，所有组分体积占比均为50%。从A至D，平均晶粒尺寸和孪晶尺寸递增至15.8μm和72μm，总厚度维持在约400μm。

研究发现，HNT-A至D的屈服强度从223MPa提升至446MPa，但延展性却从22%降低至1%，这归因于晶粒细化效应；而GNT-AB显示出435MPa的屈服强度和3%的延伸率。无论是均匀纳米孪晶Cu (HNT)还是梯度纳米孪晶Cu (GNT)，在小应变下(低于2%)都会经历一个弹塑性过渡阶段的急剧硬化，然后稳定在一个稳定的硬化状态。

令人惊奇的是，在GNT中，组分间的加工硬化差异越大，材料的强化效应和加工硬化程度就越显著。特别地，较大的加工硬化能有效地抑制梯度纳米结构Cu内部组分间应变局部化的差异。

此项研究首次证明，随着加工硬化差异的增大，梯度纳米结构Cu的强化效果与加工硬化程度同步增强，并促进了应变的离域化。这些发现为开发具有高性能的梯度纳米结构金属奠定了坚实的理论基础。

(注：原文改编自“材料科学与工程”微信公众号)