強度與延展性的權衡一直是多晶金屬長期面臨的難題，已經提出許多策略，例如引入梯度和孿晶微觀結構克服奈米晶（NC）金屬的強度-延展性權衡。
來自北京大學的研究人員提出利用織構工程結合晶界（GB）強化和梯度微觀結構設計的方案，來實現更理想的強度-延展性協同。考慮到晶粒中位錯儲存、晶界滑動和空隙體積分數的演變，結合Gurson模型進行晶體塑性有限元模擬，揭示了導致NC金屬強度-延展性權衡的主要因素是低晶界強度和位錯儲存能力相對於晶粒尺寸的非單調變化，證實了NC金屬存在最脆晶粒尺寸的推測。此項研究還發現，高晶界強度下，NC金屬的延展性受晶界損傷和晶內位錯儲存能力的影響。結果表明，在一定晶粒尺寸下，立方織構NC銅的失效拉伸應變是高GB強度下無織構銅的失效拉伸應變的兩倍以上。相關工作以“Overcoming strength–ductility trade-off of nanocrystalline metals by engineering grain boundary，texture，and gradient microstructure”為題發表在固體力學旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。
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https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105200
工程應用中亟需高力學效能多晶金屬材料。一般來說，傳統的多晶金屬往往表現出強塑性權衡的特徵。眾所周知，粗晶純金屬具有高延展性，但屈服強度和斷裂強度較低。克服強度低的傳統方法之一是晶粒細化，但晶粒細化會導致延展性的顯著損失。平均晶粒直徑低於100nm的多晶金屬稱為奈米晶（NC）金屬，大量研究證明NC金屬的均勻伸長率和斷裂伸長率通常較少超過5%。隨著晶粒尺寸進一步減小至幾奈米，NC金屬被軟化，在分子動力學（MD）模擬實驗中表現出逆Hall-Petch（HP）行為。隨著樣品尺寸從宏觀尺度減小到奈米尺度，金屬的屈服強度表現出與尺寸無關到與尺寸相關的轉變。克服金屬的強度與延展性之間的權衡是巨大的挑戰。
如MD模擬所示，微空隙容易在晶界及其三重連線處成核，微孔洞可能會沿著晶界或交叉晶粒內部（GI）快速生長併合並，導致晶間或穿晶斷裂。隨著GB強度增加，NC金屬的宏觀強度和延展性得到了提高。最近的實驗研究表明，奈米晶鎳鉬合金的主要塑性變形機制從晶界介導的過程轉變為部分位錯活動，因為鉬的晶界偏析增強了晶界的穩定性。對於初始平均晶粒直徑為3.4nm、鉬含量為21.5%的樣品，HP到逆HP的轉變顯著延遲，並且最大退火引起的硬度增加到120%。高晶界穩定性和部分位錯引起的應變硬化，使鎳鉬樣品比純鎳樣品具有更好的延展性。
除了降低晶界流動性之外，還致力於設計和製造具有特徵介面和微觀結構的金屬材料，以同時提高強度和延展性。如上所述，NC金屬中晶界的高密度提高了強度，但顯著降低了延展性。相比之下，引入高密度孿晶界可以克服強度和延展性的相互排斥關係，因為孿晶界為位錯的成核和容納提供了更多的位點，併成為促進位錯儲存的障礙。提高多晶金屬強度和延展性的另一個方法是引入梯度結構，具有梯度結構的NC粗晶銅複合樣品的屈服強度幾乎是粗晶銅強度的兩倍，但均勻伸長率的犧牲並不明顯，具有梯度奈米孿晶結構的銅樣品，表現出強度、應變硬化和強度-延展性協同作用的同時增強。
大量實驗研究致力於提高NC金屬的強度-延展性協同作用，但仍有幾個問題未能解決。例如，NC金屬的延展性低，通常歸因於應變硬化能力弱，而晶內位錯儲存能力或等效的應變硬化能力可以隨著HP區域晶粒尺寸的減小而顯著增加。儘管GI的位錯儲存能力以及GB和GI的損傷被認為是控制宏觀應變硬化率的兩個重要的因素，但尚不清楚哪個因素更重要。很少有理論和數值研究致力於定量研究晶界強度和微觀結構如何影響NC金屬的強度和延展性，也掩蓋了晶界工程是否會飽和增強強度-延展性協同作用。
這項工作在Gurson模型框架中結合尺寸相關位錯儲存、晶界滑動和空洞誘導損傷進行晶體塑性有限元模擬，揭示了強塑性權衡背後的基本機制。利用結合GB強化和梯度微觀結構設計的織構工程，實現了NC金屬顯著的強度-延展性協同作用。結果表明，在一定晶粒尺寸下，立方織構NC銅的失效拉伸應變是高GB強度下無織構銅的失效拉伸應變的兩倍以上。此項研究對NC金屬的微觀損傷機制提供了深刻的見解，並提供了一種基於織構工程的新方法，進一步打破了NC金屬的強度和延展性之間的權衡。
圖2 (a)屈服強度和均勻拉伸應變；(b)失效拉伸強度和失效拉伸應變。
圖3空隙體積分數的等高線圖。
圖4 (a)屈服強度和均勻拉伸應變；(b)失效拉伸強度和失效拉伸應變。
圖5 具有不同梯度結構的無織構樣品的真實應力-應變曲線。
圖6 (a)屈服強度和均勻拉伸應變的對應圖；(b)抗拉強度和斷後應變的對應圖。
考慮到晶粒中位錯的尺寸相關儲存、晶界滑動和空隙體積分數的演變，結合Gurson模型進行晶體塑性有限元模擬，以揭示NC金屬強塑性權衡的潛在機制。晶界強化、織構設計和引入梯度微結構實現了更理想的強度-延展性協同作用，NC金屬存在最脆晶粒尺寸的推測也得到了證實，並深入瞭解了NC金屬微觀損傷的機制。
研究發現，對於高晶界強度金屬，延展性由晶界損傷和晶內位錯硬化能力決定。對於低晶界強度的NC金屬，強度以及延展性與晶粒尺寸的非單調趨勢，均歸因於晶內位錯儲存能力的尺寸依賴性。HP區域的位錯儲存能力隨著晶粒尺寸的減小而增加，導致較小晶粒尺寸下的延展性降低。在反HP區域，由於晶粒尺寸較小，飽和GI強度降低且晶界體積分數增加，因此區域性晶界的損傷顯著減輕，因此延展性隨著晶粒尺寸的減小而增加。非單調延展性-晶粒尺寸分佈意味著存在最脆的晶粒尺寸。
提高晶界強度可以減少晶界區域性損傷程度，有利於晶內位錯的積累。因此，位錯硬化補償甚至超過了HP區域中空洞引起的軟化，從而導致高晶界強度的NC金屬具有幾乎與尺寸無關的延展性，提高GB強度是克服強度-延展性權衡的可行方法。織構顯著促進位錯增殖，延緩剪下帶形成，消除頸縮。對於HP-逆HP轉變附近較窄HP區域範圍內的織構化樣品，隨著晶粒尺寸的減小，位錯硬化變得更加可持續和顯著，並且即使在大應變下也可以超過GI和GB損傷引起的軟化。高強度晶界下，失效拉伸強度和應變都隨著晶粒尺寸的減小而增加。織構工程與提高晶界強度和晶粒細化相結合，可以打破強度與延展性的權衡。具有較小內部晶粒和較大表面晶粒的梯度NC金屬，比具有較大內部晶粒和較小表面晶粒的梯度NC金屬表現出更好的抗破壞能力。（文：早早）
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