在金属材料领域，强度和塑性的不可兼得严重影响了其工程应用和结构设计。人们已经提出了许多策略来提高金属的强度，但不可避免地会降低甚至破坏材料的塑性。塑性不足已成为高强金属材料的“致命弱点”。微观原因是位错滑移导致应变局部化产生颈缩，剪切带开裂，最终导致灾难性破坏。因此，简单的方法可能很难解决强度-塑性权衡问题。

梯度显微组织金属的晶粒尺寸从最上层的纳米级增加到内部的微米级，获得了强度塑性协同的力学性能。这种晶粒尺寸的有序分布会引起宏观应变梯度，并将单向应力转化为多轴应力，这是由于沿梯度方向演化的非协调变形造成的。因此，可以降低应变局部化压力，实现独特的超常应变硬化，从而获得更高的延性和韧性。此外，梯度显微组织涉及几个相和/或化学成分的有序分布。这表明晶粒实质也是沿梯度方向变化的。材料不同位置的主导变形机制不尽相同，位错运动传播所需的临界应力/应变也是不同的。这些特性可以在施加载荷的情况下产生逐步变形过程。这样就避免了位错的长距离积累，抑制了剪切带和裂纹。

近日，来自北京理工大学、浙江大学、香港城市大学、西安交大、上海理工大学等五所国内知名高校联合的一项最新研究，开发了一种数值模型用以设计梯度微结构金属材料，这一模型涉及到金属合金中晶粒尺寸、孪晶、马氏体和奥氏体的梯度分布。通过实验对数值结果进行了验证。获得了高强度、高塑性和相当大硬化能力的金属材料，成功地解决了结构金属材料的强塑性矛盾问题。相关论文以题为“Theory of designing the gradient microstructured metals for overcoming strength-ductility trade-off”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.03.045

研究发现，强度的提高归因于上表层晶粒尺寸的减小和马氏体相变。它们可以使材料更强，但在某种程度上容易引发裂纹。然后，由于亚表面的延性奥氏体，有效地防止了裂纹沿深度方向的张开和扩展。微观结构中的相互作用机制可以防止材料的失效。力学上可以解释为宏观应变梯度引起的额外应变硬化，以及不同相和不同晶粒尺寸的材料应力状态变化的结果，从而获得了很大的延展性。此外，即使材料整体发生了严重的塑性变形，也没有引起明显的裂纹。

总的来说，这项工作提出了一种克服金属强塑性矛盾的梯度微结构设计数值模型，并对数值计算结果进行了实验验证，证明了其有效性。为设计高强度、高塑性和高硬化能力的梯度组织金属材料提供了一条有效途径。（文：冯冯、董瑞）

图1梯度组织的材料模型（包括奥氏体和马氏体的晶粒尺寸和体积分数以及金属材料中的孪晶特征）

图2梯度结构材料的显微组织(a)未经处理的表层平均尺寸约为10μm的细小晶粒；(b)处理表面层平均尺寸约为3~8 nm纳米晶粒；(c)板条马氏体，宽度平均尺寸约100 nm，并伴有大量位错；(d)晶粒内平均间距约为200 nm的纳米孪晶

图3.梯度微结构金属的模拟结果(a)包括晶粒尺寸、马氏体、奥氏体和孪生在内的梯度组织的结构；(b)参照均匀结构的应力-应变关系

图4.所设计的梯度结构材料的力学机制。(a)压缩破坏中的未张开的裂纹；(b)剪切带的分散伴随着起始的塑性流动；(c)产生均匀伸长的整体塑性流动；(d)在整体和严重的塑性流动过程中没有明显的裂纹。

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