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国际顶尖期刊PNAS刊登我校材料学院 朱运田教授团队最新研究成果

时间: 2016-09-13   来源:   作者:   点击: 64

国际顶尖期刊PNAS刊登我校材料学院 朱运田教授团队最新研究成果

  

    近日,我校材料学院纳米结构材料中心朱运田教授团队与中国科学院力学研究所武晓雷教授团队合作,发现了一种既能让金属钛获得超细晶的高强度,同时又能获得粗晶的大拉伸塑性的新方法,该工作以“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility”为题,在国际顶尖期刊PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上在线发表。该期刊是世界公认的四大名刊CellNatureSciencePNAS之一。

金属有两个重要的力学性能,即强度和拉伸塑性。高强度可使金属在发生塑性变形之前承担较大的载荷,而大塑性则可使其在破坏之前进行较大的拉伸塑性变形,避免发生突然的灾难性破坏。材料的强度和拉伸塑性取决于内部晶粒尺寸的大小,传统的粗晶具有很大的拉伸塑性,当晶粒尺寸减小到纳米尺寸时,强度显著提高、却几乎丧失了全部的拉伸塑性。金属领域面临的极大挑战是怎样让金属同时获得这两个极端的性能,即纳米晶金属的高强度与粗晶的大拉伸塑性。

这个工作在金属钛中研制出一种新的微观结构,这种结构不仅具有超细晶结构的高强度,同时具有传统粗晶的大拉伸塑性。利用异步轧制技术和退火工艺,把常规金属钛变形成为一种“软-复合层片的微结构,其中高强度的超细晶“硬”层片为基体,弥散分布着体积分数约为25%、大塑性的再结晶“软”层片。

“软-层片微结构的一个显著特点是该结构有很大的加工硬化能力,甚至超过粗晶结构,这是以前从未发现过的。通过拉伸卸载再加载实验发现“软-层片表现出显著的包申格效应。

更特别地是,虽然“软”层片的体积分数达到了25%,材料整体强度仍可达到超细晶的强度。这一违背教科书常识的结果来源于背应力强化。当外应力达到“软”层片屈服强度的时候,它们试图开始塑性变形。但是它们被“硬”层片完全包围而不能变形,导致几何必需位错塞积在“软-层片界面,形成很大的背应力强化直到“硬”层片开始屈服,层片在背应力作用下变得与层片几乎一样强。

该工作提出了一种同时获得超细晶的高强度和粗晶的大塑性的新思路,这种力学性能的完美结合是以前从未实现的。由于“软-层片微结构是通过工业上最普遍的成型技术得到的,在工业上可以实现规模化生产和应用。