近日，原子尺度研究团队在国际顶级学术期刊Science Advances上发表了题为“Enhancing strength and ductility via crystalline-amorphousnanoarchitectures in TiZr-based alloys”的研究论文，揭示了纳米尺度晶体-非晶三维双联续结构有助于改善材料强度和塑性的固有矛盾，实现材料强度和塑性的同时提升。论文的第一作者为材料学院明开胜副教授，中科院金属所朱正旺研究员为共同一作，通讯作者为郑士建教授、内布拉斯加大学林肯分校王健教授和北京大学韦小丁教授。论文第一通讯单位为省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室/材料科学与工程学院。
强度和塑性是金属结构材料的两个重要力学性能。但是，强度的提高往往伴随着其塑性的降低，即强度和塑性呈倒置关系。例如，细晶强化和第二相强化会降低应变硬化能力，从而降低塑性。金属非晶材料（又称金属玻璃）通常要比对应的晶体材料具有更高的强度，但是其在<2%塑性应变下就会出现灾难性的脆性断裂。由连续的非晶基体和微米尺度晶体枝晶组成的金属玻璃基复合材料（MGMC，如图1a-b所示）能够在一定程度上协调强度和塑性，但是MGMC在拉伸下没有应变硬化能力，所以MGMC的抗拉强度无法得到有效提升。
与晶体材料不同，随着特征尺寸减小到纳米级，金属玻璃的变形能力显著增强。因此，由纳米非晶相和晶体相组成的晶体-非晶复合材料有望同时获得高强度和高塑性。作者设计了一种独特的TiZr基纳米晶-非晶复合材料，该合金由等轴的微米晶组成，且每个晶粒内部由三维双连续晶体-非晶纳米双相结构(3Dbicontinuous crystalline-amorphous nanoarchitectures，3D-BCAN) 组成（图1）。
图1. 三维双连续晶体-非晶纳米双相结构(3D-BCAN)
亚稳的晶体相通过位错滑移和马氏体相变产生塑性变形，而纳米非晶相由于界面约束表现出均匀的塑性变形。如图2a-c原位拉伸测试表明，与单一晶体和非晶相材料相比，3D-BCAN 表现出更加优异的塑性和应变硬化能力，使TiZr 基合金具有超高屈服强度（~1.80 GPa）、抗拉强度（~2.3 GPa）和高塑性（均匀延伸率~7.0%）。结合透射电子显微镜观察（图2d）和有限元模拟（图2e），作者揭示了晶体-非晶纳米双相结构协同变形机制，即非晶相对晶体相施加额外的应变硬化，而晶体相阻止了非晶相中的过早剪切局部化。这些独特的机制赋予TiZr 基合金优异的强度、塑性和应变硬化能力。该研究提供了一种通过三维双连续纳米双相结构设计来制备高强韧晶体-非晶纳米复合材料的新策略。
图2. （A）TiZr基纳米晶非晶复合材料的拉伸真应力应变曲线；（B-C）原位拉伸前后样品的SEM图片；（D）TEM分析和（E）有限元模拟表明塑性变形首先均匀发生在晶体区域，然后在非晶区域形成大量均匀分布的微小剪切变形区。
文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abm2884?af="R
作者简介：
郑士建，教授，博士生导师，2014年入选中科院“百人计划”，2016年入选国家“海外高层次人才引进计划”青年项目。长期致力于金属结构材料与能源材料的原子尺度研究，研究成果揭示了高温、高应力、强辐照等极端使役环境下原子尺度界面结构对高温合金、钛合金、层状金属材料力学性能、抗核辐照损伤性能的影响规律，以及能源电池材料服役过程中原子尺度衰变机制。在Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Scripta Materialia 等高水平期刊发表SCI论文130余篇，引用近5000次，并受邀在（国际塑性、损伤与断裂会议等）高水平国际会议上做邀请报告，主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目11项。获河北省政府特殊津贴（2019）、天津市创新类领军人才（2019）等荣誉，并任中国电子显微镜学会（2016-至今）等学会理事。
明开胜，副教授，博士生导师，“元光学者”启航A岗，于2020年1月毕业于北京航空航天大学，并于同年4月加入。于2017.09-2019.09在美国内布拉斯加大学林肯分校公派留学。于2021年任Coatings 期刊客座编辑。研究方向为新型高强韧金属材料（包括高熵合金、晶体-非晶纳米复合材料）设计、强韧化机理以及多尺度形变机制。先后主持国家自然科学基金青年项目、河北省高层次留学人才回国资助项目、河北省自然科学基金青年项目等；以第一作者或者通讯作者在Science Advances、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia 等高水平期刊发表论文15篇，其中2篇入选ESI高被引论文。获得荣誉包括北京航空航天大学优秀毕业生、北京航空航天大学优秀博士论文、博士研究生国家奖学金、宝钢优秀学生奖、材料科学与工程学院“突出贡献奖”等。
文图/材料科学与工程学院 审核/郑士建
