工程結(jié)構(gòu)材料的理想性能通常是高強(qiáng)度和高韌塑性，然而，強(qiáng)度與韌塑性往往不可兼得。高強(qiáng)材料的塑性往往很差，而具有良好塑性的材料其強(qiáng)度很低。納米金屬材料（即晶粒尺寸在納米尺度的多晶金屬）是一種典型的高強(qiáng)材料，其強(qiáng)度比普通金屬高一個(gè)量級(jí)，但其幾乎沒(méi)有拉伸塑性。如何提高納米金屬的塑性和韌性成為近年來(lái)國(guó)際材料領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大科學(xué)難題。
最近，中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室盧柯研究組在這一科學(xué)難題研究方面取得重要突破。他們發(fā)現(xiàn)，梯度納米（GNG）金屬銅既具有極高的屈服強(qiáng)度又具有很高的拉伸塑性變形能力。這種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度和高拉伸塑性的優(yōu)異綜合性能為發(fā)展高性能工程結(jié)構(gòu)材料開(kāi)辟了一條全新的道路。
梯度納米結(jié)構(gòu)是指晶粒尺寸在空間上呈梯度分布。盧柯研究組利用表面機(jī)械碾磨處理（SMGT）在純銅棒材表面成功制備出梯度納米結(jié)構(gòu)，自表及里晶粒尺寸由十幾納米梯度增大至微米尺度，棒材芯部為粗晶結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸為幾十微米），這種梯度納米結(jié)構(gòu)的厚度可達(dá)數(shù)百微米。梯度納米結(jié)構(gòu)層具有很高的拉伸屈服強(qiáng)度，最外表層50 m厚梯度納米結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度高達(dá)660MPa（是粗晶銅的10倍），室溫拉伸實(shí)驗(yàn)表明，具有梯度納米結(jié)構(gòu)的表層在拉伸真應(yīng)變高達(dá)100%時(shí)仍保持完整未出現(xiàn)裂紋，表明其拉伸塑性變形能力優(yōu)于粗晶銅。這種優(yōu)異的塑性變形能力源于梯度納米結(jié)構(gòu)獨(dú)特的變形機(jī)制，微觀結(jié)構(gòu)研究表明，梯度納米結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中其主導(dǎo)變形機(jī)制為機(jī)械驅(qū)動(dòng)的晶界遷移，從而導(dǎo)致伴隨的晶粒長(zhǎng)大。這種變形機(jī)制與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿生、晶界滑移或蠕變等傳統(tǒng)的材料變形機(jī)制截然不同。該研究成果發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》周刊（2011年2月17日在線（Science Online））。
表面機(jī)械碾磨處理是近年來(lái)中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的一種制備梯度納米結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，其制備工藝簡(jiǎn)單，適宜工業(yè)應(yīng)用。這種新技術(shù)的發(fā)展不但推動(dòng)了梯度納米金屬的基本性能研究，也對(duì)高性能梯度納米表層材料的工業(yè)應(yīng)用及材料表面工程技術(shù)的發(fā)展有重要促進(jìn)作用。
