微觀異構(gòu)（heterogeneous microstructuring）是提升金屬結(jié)構(gòu)材料協(xié)同強(qiáng)韌化水平的新途徑，典型異構(gòu)包括：非均勻/異質(zhì)層片、跨尺度晶粒微結(jié)構(gòu)等。近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所先進(jìn)材料力學(xué)行為研究團(tuán)隊(duì)在異構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和極端環(huán)境下使役行為等方面取得進(jìn)展。

研究人員針對(duì)芯部為馬氏體鋼與表層為奧氏體不銹鋼組成的三明治宏觀多層異構(gòu)，利用應(yīng)變精細(xì)控制的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)與微結(jié)構(gòu)演化觀察，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)均質(zhì)微結(jié)構(gòu)，異構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能匹配顯著提升 (圖1a)；提出了相應(yīng)動(dòng)態(tài)剪切變形的微觀力學(xué)機(jī)制，即異構(gòu)延緩了剪切帶在脆性區(qū)的萌生，限制了剪切帶從脆性區(qū)到韌性區(qū)的傳播 (圖1b)。同時(shí)，動(dòng)態(tài)變形時(shí)，軟硬區(qū)界面處存在大應(yīng)變梯度，形成的幾何必須位錯(cuò)協(xié)調(diào)變形并產(chǎn)生了額外的加工硬化，軟硬區(qū)之間相應(yīng)地發(fā)生了應(yīng)變分配 (圖1c)。此外，研究人員進(jìn)一步觀察到異構(gòu)中剪切帶的萌生和傳播模式主要取決于軟硬區(qū)之間的硬度差異，刻畫了其相關(guān)性規(guī)律。這些研究結(jié)果為設(shè)計(jì)與調(diào)控具有優(yōu)異動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的異構(gòu)金屬材料奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

針對(duì)強(qiáng)韌性匹配優(yōu)異的跨尺度晶粒異構(gòu)中熵合金，進(jìn)行了在廣溫域 (4.2 K–373 K)沖擊加載條件下的裂尖塑性區(qū)微結(jié)構(gòu)演化和裂紋擴(kuò)展行為研究。結(jié)果表明，異構(gòu)在經(jīng)受低溫沖擊變形時(shí)，其內(nèi)部形成了高密度變形納米孿晶多級(jí)結(jié)構(gòu)，孿晶層片平均間距10 nm，顯著提高應(yīng)變硬化能力，抑制裂紋的萌生和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。進(jìn)而，高密度多級(jí)孿晶結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)裂紋尖端的多重剪切帶分叉形成，耗散了變形能 (圖2b)。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)了剪切帶的自增韌機(jī)制，即剪切帶內(nèi)部和外部均形成了高密度的變形納米孿晶，不僅提高了剪切帶的應(yīng)變硬化能力，還顯著阻擋并抑制剪切帶的擴(kuò)展，從而增加了沖擊吸收功 (圖2c)，導(dǎo)致創(chuàng)紀(jì)錄高的夏比沖擊韌性，即異構(gòu)中熵合金在液氦溫度 (4.2 K) 時(shí)沖擊功高達(dá)340 J，在液氮溫度 (77 K) 為380 J，室溫 (298 K) 為520 J (圖2c)。據(jù)此，該研究提出利用變形納米孿晶提高韌性的異構(gòu)策略，為新型高性能金屬結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Scripta Materialia以及Materials Science and Engineering上。上述研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)以及國家自然科學(xué)基金的資助。

圖1 宏觀多層異構(gòu)鋼的優(yōu)異動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其微觀機(jī)制(a) 高應(yīng)變速率(5×104 s–1)剪切性能； (b) 剪切帶萌生/擴(kuò)展行為；(c) 剪應(yīng)變位錯(cuò)協(xié)調(diào)機(jī)制

圖2 跨尺度晶粒異構(gòu)CrCoNi中熵合金的裂尖剪切帶韌化行為和優(yōu)異沖擊韌性(a) 跨尺度晶粒異構(gòu); (b) 剪切帶–孿晶交互作用; (c) 沖擊韌性(AK)–測(cè)試溫度關(guān)系