《Journal of Materials Science & Technology》：Dual inverse-gradient nanostructured BCC tungsten for synergistic strength-ductility enhancement via dislocation dynamics
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本研究通过冰浴非滑移拉拔工艺制备了体心立方钨线逆梯度纳米结构，解决了传统梯度结构在高温和机械应力下的稳定性问题。实验表明，其强度（6.92 GPa）和延展性（4.2%）分别提升20%和75%，分子动力学模拟证实梯度位错分布有效抑制应变集中，为极端环境应用提供新范式。
张宇|李淼|谢芳|龚晓波|黄晓晓|崔晓萍|张涛|刘玉静
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨 150001
摘要
体心立方（BCC）金属通常受到固有的强度-延展性权衡的限制，这限制了它们在结构应用中的实用性。虽然梯度纳米结构提供了一种潜在的解决方案，但传统设计由于表面纳米晶粒在操作应力下的粗化而存在热稳定性和机械稳定性问题。在这项研究中，我们展示了BCC钨线中的逆梯度纳米结构设计，其特征是晶粒尺寸和纳米沉淀物尺寸的双重径向梯度。这些钨线表现出优异的机械性能，抗拉强度为6.92 GPa，断裂伸长率为4.2%，分别比等轴纳米晶粒（NG）线提高了20%和75%。此外，进一步增加梯度尺度可以增强这些协同效应。原子尺度表征和分子动力学（MD）模拟揭示了位错动力学的增强机制，其中不同的截面位错分布有效地将应变局部化从表面传递到内部。这种应变梯度介导的位错动力学建立了超越传统强度-延展性折中的微观结构-性能关系，为工程化高性能BCC金属提供了一种通用设计策略，使其在极端环境应用中具有定制的稳定性。
引言
金属材料中的强度-延展性权衡一直是材料科学中的一个基本挑战，特别是对于在极端环境中用于结构应用的BCC金属而言。根据经典的Hall-Petch关系，金属的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比[1]。虽然这种关系可以通过细化晶粒显著提高强度，但往往以牺牲延展性为代价，从而在强度和延展性之间产生了内在的不兼容性[2]。为了解决这一限制，梯度纳米结构（GNS）金属作为一种有前景的解决方案出现，为解耦这些传统上相互冲突的性能提供了独特的方法[[3], [4], [5]]。此外，GNS金属还表现出更好的疲劳和抗断裂性能[6]，使其在先进工程应用中具有吸引力。然而，传统GNS金属仍存在两个关键挑战。首先，大多数关于GNS金属的研究仅限于面心立方金属，如铜[[7], [8], [9]]、不锈钢[10,11]和铝[12]。在具有高堆垛错能和不同变形机制的BCC金属中制造GNS结构仍然是一个重大挑战。其次，传统的GNS金属制备方法，如表面机械研磨处理[13,14]、高压扭转[15]、电沉积[16]和激光表面重熔[17]，通常只在表面产生梯度纳米结构。这些传统梯度结构容易发生机械疲劳[[18], [19], [20]]和热稳定性问题[21,22]，因为表面纳米晶粒在塑性变形过程或高温下会粗化。此外，创建这些结构所需的严重塑性变形会引入大量晶体缺陷，从而降低应变硬化能力并增加对温度变化的敏感性[23]。这一限制阻碍了BCC金属在极端环境（如高温、腐蚀性和高应力条件）中的机械性能提升和更广泛的应用[24]。
尽管普遍认为GNS结构能够实现强度-延展性的协同增强，但梯度尺度对这种协同效应的影响仍需进一步探索。当前的研究主要关注梯度材料长度如何影响机械性能，例如刘等人利用临界厚度理论揭示了梯度长度尺度与机械性能之间的明确关系[25]。在此基础上，Dahlberg开发了理论框架，将梯度长度尺度的演变与通过位错密度变化引起的塑性应变增量联系起来[26]。然而，这些物理尺寸描述符未能充分说明梯度尺度的影响，因为不同结构之间的界面密度存在内在变化。这需要进一步研究梯度尺度对强度-延展性增强和变形兼容性机制的影响，以便更准确地预测性能并进行优化的材料设计。
在这项工作中，我们提出了一种逆梯度纳米结构（IGNS）设计，即在BCC钨线的外层采用粗晶粒，在内层采用细晶粒，这与传统的梯度结构相反。这种设计是通过在冰浴中对掺镧钨细线进行连续无滑移拉伸实现的。所得钨线表现出优异的机械性能，抗拉强度为6.92 GPa，断裂伸长率为4.2%，比等轴NG线有了显著提高。ANSYS模拟显示，连续拉伸过程中的逆梯度应变诱导了逆梯度纳米结构的形成，直接控制了机械性能的分布。为了研究梯度尺度效应，将38.0 μm的钨线蚀刻成两种变体：一种22.5 μm的减梯度线，另一种7.8 μm的超细晶粒核心线，从而揭示了其在增强IGNS钨的强度-延展性协同作用中的作用。原子尺度表征结合MD模拟证实，位错在截面上的分布不同，有效地将应变局部化从表面传递到内部。这种独特的逆梯度纳米结构同时克服了强度-延展性权衡，并为在极端环境中（如切割硬材料和等离子体面对应用[[28], [29], [30]]）工程化BCC金属的定制机械性能建立了通用设计范式。
样本制备
样品制备
掺镧钨线是通过冰浴无滑移拉伸方法合成的。首先，将原料偏钨酸铵焙烧生成蓝色WO?，然后经过两次氢还原得到纯钨粉。随后，将粉末与硝酸镧溶液（W: La = 99.75 wt.%: 0.25 wt.%）均匀混合，并在80°C下干燥以实现均匀掺杂，接着进行还原、压制和烧结。后续处理包括轧制，
BCC钨中的双重逆梯度纳米结构
掺镧钨细线是通过冰浴无滑移拉伸方法制造的。传统的细钨线通常是在动态摩擦下使用锥形滑轮进行滑移拉伸制成的，这会导致温度升高到200–300°C，从而引起表面划痕和晶粒粗化，从而降低强度和延展性。在这项研究中，线材在0°C的冰浴中拉伸以防止晶粒粗化。如图1所示的初始坯料
结论
本研究通过无滑移拉拔技术在BCC钨线中开发了逆梯度纳米结构，实现了截面上的双重逆梯度纳米晶粒和纳米沉淀物的同时集成。优化后的结构表现出优异的机械性能，抗拉强度为6.92 GPa，均匀伸长率为4.20%，承载能力为7.84 N，与传统等轴NG线相比，强度提高了20%，延展性提高了75%
作者贡献声明
张宇：撰写——原始草稿、方法论、研究、形式分析、概念化。李淼：数据管理。谢芳：可视化、研究。龚晓波：验证、软件。黄晓晓：可视化。崔晓萍：监督。张涛：资金获取、概念化。刘玉静：撰写——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52272079）和山东省自然科学基金（编号：ZR2020ME029）的财政支持。
