梯度超纳米晶铜中层间相容性变形诱导的卓越拉伸性能

为解决纳米结构材料中强度-延展性权衡难题，中国科学院研究人员通过液氮温度表面滚剪工艺制备梯度超纳米晶铜（GUNG Cu），结合原位EBSD和μ-DIC技术揭示其层间相容性变形机制。研究发现超纳米晶表层（SL）在拉伸中保持机械稳定性，而亚表层（~15 μm）发生动态晶粒粗化，通过异质变形诱导（HDI）硬化实现250-330 MPa屈服强度和17%-30%均匀延伸率的协同提升，为设计高性能梯度材料提供新思路。

　　

在材料科学领域，纳米结构金属的强度与延展性如同鱼与熊掌难以兼得——晶粒尺寸的减小虽能显著提升强度，却往往以牺牲塑性为代价。这一"强度-延展性权衡"困境长期制约着纳米材料的工程应用。传统均匀纳米晶材料中，塑性变形极易在纳米晶区域发生局部化，导致早期颈缩和断裂。近年来，梯度纳米晶（GNG）结构因其独特的空间梯度晶粒分布展现出突破这一限制的潜力，但关于其变形兼容机制，特别是超细晶粒层（SL）与粗晶层（CL）间的相互作用机制仍存在诸多争议。

针对这一科学难题，中国科学院的研究团队创新性地开发了液氮环境下的表面滚剪（SRS）工艺，成功制备出具有超纳米晶表层（5-20 nm）的梯度超纳米晶铜（GUNG Cu）。通过系统的显微结构表征和原位力学测试，首次阐明了这种材料在拉伸载荷下独特的层间相容性变形行为。相关研究成果发表在《Journal of Materials Science》上，为设计高性能梯度结构材料提供了重要理论依据。

研究采用三大关键技术：1）液氮温度SRS处理构建深度>600 μm的梯度结构；2）原位电子背散射衍射（EBSD）结合微观数字图像相关（μ-DIC）技术实时追踪变形过程；3）加载-卸载-再加载（LUR）实验定量评估异质变形诱导（HDI）硬化效应。

微结构特征
EBSD分析显示GUNG Cu具有显著的三层梯度结构：最表层（0-2 μm）为超纳米晶（~5-20 nm），中间过渡层（2-15 μm）晶粒尺寸梯度增加，深层（>15 μm）保留粗晶结构。KAM（核平均取向差）图谱证实表层存在高密度几何必需位错（GNDs）。

力学性能突破
拉伸测试显示GUNG250样品实现330 MPa屈服强度和30%均匀延伸率的优异组合，强度较粗晶铜提升3倍而不损失塑性。HDI应力贡献达135 MPa，占总流动应力的40%。

变形机制解析
原位μ-DIC揭示：超纳米晶SL通过晶界滑移维持<2%的应变，而亚表层（~15 μm）通过动态再结晶实现晶粒粗化（20→50 nm），二者协同形成应变梯度。EBSD证实GNDs在层间界面处富集，促进HDI硬化。

讨论与意义
该研究首次阐明GUNG Cu中"表层稳定+亚表层粗化"的双重变形机制：超纳米晶SL的高机械稳定性源于液氮处理抑制晶界迁移；亚表层动态粗化则通过消耗位错储存能来协调层间应变差异。这种跨尺度相容性变形与HDI硬化的协同作用，突破了传统纳米材料的性能极限。研究提出的低温SRS工艺可推广至其他金属体系，为开发兼具超高强度和大塑性的梯度材料开辟新途径。作者杨木新团队特别指出，优化表层厚度与晶粒尺寸梯度有望进一步放大HDI效应，这将成为未来研究的重要方向。