隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)界對(duì)于具有高強(qiáng)度、高塑性、高疲勞性能的金屬材料具有重要的需求。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室以Cu和Cu合金（Cu-Al，Cu-Zn等）模型材料為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)近十年的研究探索，系統(tǒng)地揭示了層錯(cuò)能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能、強(qiáng)韌化機(jī)制以及疲勞行為等方面的影響規(guī)律，豐富和加深了金屬材料同步強(qiáng)韌化及疲勞性能優(yōu)化的理論，而且對(duì)高氮鋼、TWIP鋼及鎳鈷基高溫合金等工程材料的變形機(jī)制、強(qiáng)韌化與抗疲勞設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Progress in Materials Science 101 (2019) 1、Acta Materialia 144 (2018) 613和Acta Materialia 129 (2017) 98。

1、面心立方金屬位錯(cuò)組態(tài)演化統(tǒng)一因子?

位錯(cuò)組態(tài)的演化路徑取決于滑移方式，層錯(cuò)能值曾被視為區(qū)分滑移方式的首要因素，但除層錯(cuò)能外，滑移方式還受到短程有序、晶格摩擦應(yīng)力、外加載荷等內(nèi)外因素影響。盡管有大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模型，至今仍缺乏對(duì)滑移方式的定量化描述。通過(guò)將螺位錯(cuò)湮滅距離與擴(kuò)展位錯(cuò)寬度相比，近期該研究組提出關(guān)于位錯(cuò)組態(tài)演化的統(tǒng)一因子α=y_x/d_ex的概念，揭示了不同位錯(cuò)組態(tài)形成的物理本質(zhì)。

如圖1所示，演化因子α越高，層錯(cuò)寬度變窄而湮滅距離增大，晶體材料將以典型波狀滑移方式為主，交滑移頻繁發(fā)生，進(jìn)而基于取向效應(yīng)形成不同的三維立體組態(tài)結(jié)構(gòu)；演化因子α越低，層錯(cuò)寬度增加而湮滅距離縮小，交滑移越困難，材料以平面滑移方式為主，因此更易出現(xiàn)二維平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。正是由于不同面心立方金屬具有不同的演化因子α，因而其塑性變形與疲勞損傷過(guò)程中位錯(cuò)演化表現(xiàn)出截然不同的規(guī)律。

圖1 控制FCC金屬材料疲勞后形成不同位錯(cuò)組態(tài)的統(tǒng)一演化因子

2、面心立方金屬同步強(qiáng)韌化的層錯(cuò)能效應(yīng)

對(duì)于大多數(shù)金屬材料，可以通過(guò)單純?cè)黾游诲e(cuò)和晶界密度獲得超細(xì)晶組織，雖然其強(qiáng)度得到明顯的提高，但是由于加工硬化能力的缺失必然會(huì)導(dǎo)致其塑性的降低。通過(guò)在銅中加入合金元素降低層錯(cuò)能，改變位錯(cuò)滑移方式，乃至引入層錯(cuò)與孿晶，不但可以有效提高屈服強(qiáng)度，而且在很大程度上可以提高加工硬化能力與均勻延伸率，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑性同步提升的效果，如圖2a所示。

這種通過(guò)降低層錯(cuò)能改善加工硬化能力的方法可以歸納為：

1）增加位錯(cuò)平面滑移程度，降低位錯(cuò)交滑移傾向性及湮滅距離，從而實(shí)現(xiàn)更高位錯(cuò)密度的存儲(chǔ)，增加加工硬化能力；

2）增加層錯(cuò)及孿晶的萌生能力，促使塑性變形過(guò)程中層錯(cuò)與變形孿晶的出現(xiàn)，將常見(jiàn)于鋼中的孿生誘發(fā)塑性（TWIP）機(jī)制及動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)引入銅合金中，增加加工硬化能力，如圖2b所示。

鑒于這種同步強(qiáng)韌化效果是基于變形機(jī)制改善而非微觀組織的調(diào)整，因此，在粗晶、細(xì)晶、超細(xì)晶直至納米晶組織范圍內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性同步提升，進(jìn)而從合金設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)金屬材料的同步強(qiáng)韌化。

圖2 銅合金同步強(qiáng)韌化的層錯(cuò)能效應(yīng):（a）不同鋁含量銅鋁合金強(qiáng)度塑性倒置關(guān)系；（b）銅合金TWIP效應(yīng)示意

3、面心立方金屬疲勞壽命提高的層錯(cuò)能效應(yīng)?

隨層錯(cuò)能降低，不但強(qiáng)度與塑性同步提升，而且銅合金的疲勞壽命也同步提升，即隨著合金元素含量增加或?qū)渝e(cuò)能降低，無(wú)論是銅鋁合金還是銅鋅合金，其高周、低周及超低周疲勞壽命均得到明顯提高，如圖3所示。

關(guān)于層錯(cuò)能對(duì)超細(xì)晶納米晶材料疲勞損傷機(jī)制的影響可以歸結(jié)為：

1）隨著層錯(cuò)能降低，位錯(cuò)交滑移能力下降，從而減緩了因交滑移而導(dǎo)致的位錯(cuò)湮滅。而這將阻礙由疲勞而引起的晶界遷移、晶界滑移以及晶界轉(zhuǎn)動(dòng)，因而材料的組織穩(wěn)定性得到了改善，循環(huán)軟化行為也得到了減緩。

2）層錯(cuò)能的降低也有利于延緩材料疲勞后表面剪切帶的演化，從而抑制了組織在變形過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)變局部化，增加了變形均勻程度。

這兩者都有利于抑制材料循環(huán)軟化，延長(zhǎng)材料的疲勞壽命。通過(guò)這些研究，不但增加了對(duì)納米晶材料疲勞損傷微觀機(jī)制的認(rèn)識(shí)，而且提出了提高材料疲勞壽命的有效途徑，為超細(xì)晶/納米晶材料疲勞性能優(yōu)化和工程應(yīng)用提出了新的思路。

圖3 銅合金疲勞性能提升的層錯(cuò)能效應(yīng)：（a-c）超細(xì)晶銅鋁及銅鋅合金高周與低周疲勞壽命曲線； （e）粗晶銅鋁合金低周疲勞壽命曲線；（e）高周與低周疲勞性能優(yōu)化示意

4、面心立方金屬疲勞強(qiáng)度優(yōu)化的層錯(cuò)能效應(yīng)

一般認(rèn)為，材料疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度提高而同步提升。然而近期研究證實(shí)，對(duì)于特定成分材料，當(dāng)大范圍調(diào)整其晶粒尺寸來(lái)改變強(qiáng)度時(shí)，材料的疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度增加先升高然后再降低，即具有高強(qiáng)度的納米晶金屬材料的疲勞強(qiáng)度不是最優(yōu)狀態(tài)。

研究表明：材料強(qiáng)化初期，抗拉強(qiáng)度提高降低了循環(huán)變形過(guò)程中局部塑性屈服的概率與程度，減緩了疲勞損傷，因而提升了疲勞性能，因此表現(xiàn)出疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度增加而升高；而在強(qiáng)化后期，因基體硬化能力過(guò)度缺失而引起基體對(duì)缺陷的敏感程度急劇增加反而增加了疲勞損傷程度，因而造成疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度提高而降低。這種先升后降的規(guī)律使得材料強(qiáng)化對(duì)疲勞性能的貢獻(xiàn)大打折扣。然而，隨材料層錯(cuò)能降低，由于形變均勻性提高使疲勞損傷程度整體減弱，因而這種疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度提高或晶粒尺寸減小而表現(xiàn)出的先升后降的趨勢(shì)在很大程度上被推遲。

因此，臨界晶粒尺寸（疲勞強(qiáng)度取得極值時(shí)的晶粒尺寸）隨層錯(cuò)能降低而減小，對(duì)應(yīng)臨界抗拉強(qiáng)度相應(yīng)增加，最終促使疲勞強(qiáng)度得到大幅度提升，如圖4所示。

圖4 不同成分與組織銅鋁合金疲勞強(qiáng)度隨拉伸強(qiáng)度（a）與晶粒尺寸（b）的變化

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