作者:卢柯等 来源:《科学》 发布时间:2011-2-21 9:18:27
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梯度纳米金属兼具高强度高塑性
 
近日,中国科学院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢柯研究组在纳米金属兼具高强度和高韧塑研究方面取得重要突破。该研究发现,梯度纳米(GNG)金属铜既具有极高的屈服强度又具有很高的拉伸塑性变形能力。研究揭示了梯度纳米金属铜优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制,微观结构研究表明,梯度纳米结构在拉伸过程中其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移,从而导致伴随的晶粒长大,这种变形机制与位错运动、孪生、晶界滑移或蠕变等传统的材料变形机制截然不同。2月17日,美国《科学》周刊在线(Science Online)报道了该研究成果。
 
工程结构材料的理想性能通常是高强度和高韧塑性,然而强度与韧塑性往往不可兼得。高强材料的塑性往往很差,而具有良好塑性的材料其强度很低。纳米金属材料(即晶粒尺寸在纳米尺度的多晶金属)是一种典型的高强材料,其强度比普通金属高一个量级,但其几乎没有拉伸塑性。如何提高纳米金属的塑性和韧性成为近年国际材料领域的一项重大难题。
 
梯度纳米结构是指晶粒尺寸在空间上呈梯度分布。卢柯研究组利用表面机械碾磨处理(SMGT)在纯铜棒材表面成功制备出梯度纳米结构,自表及里,晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至微米尺度,棒材芯部为粗晶结构(晶粒尺寸为几十微米),这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。梯度纳米结构层具有很高的拉伸屈服强度,最外表层50微米厚梯度纳米结构的屈服强度高达660兆帕(是粗晶铜的10倍),室温拉伸实验表明,具有梯度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整,未出现裂纹,表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。
 
这种兼备高强度和高拉伸塑性的优异综合性能,为发展高性能工程结构材料开辟了一条全新的道路。
 
表面机械碾磨处理是近年来中国科学院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室发展的一种制备梯度纳米结构的新技术,其制备工艺简单,适宜工业应用。这种新技术的发展不但推动了梯度纳米金属的基本性能研究,也对高性能梯度纳米表层材料的工业应用及材料表面工程技术的发展有重要促进作用。(来源:科学时报 周峰 刘言)
 
 
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