材料顶刊：同时具有高强度和可变形性的双相界面纳米层合板

导读：两相纳米层合板以其高强度而闻名，但却饱受延展性损失之苦。本文展示了通过将异相界面扩展为与单个层一样厚的“3D界面”打破这种强度-延展性的平衡制约。3D界面通过与位错堆积相互作用形成剪切带来抑制流动不稳定性。当位错堆积低于相对于三维界面厚度的特征尺寸时，界面间的传输会受到明显的阻碍。我们的工作表明，3D界面可以降低堆积引起的应力集中，防止剪切局部化，并提供了一种增强机械（力学）性能的替代方法。

金属纳米结构复合材料因其超高的强度和硬度而受到广泛关注;然而，它们的变形能力也很有限，导致了“强度-延展性的平衡制约”。这种平衡的根源在于缺陷-界面相互作用，在缺陷-界面相互作用中，微观结构特征，如晶界，在剪切局部化或断裂开始之前限制了塑性变形。许多方法试图绕过这一限制，如引入梯度纳米结构或促进相变诱发塑性。目前的工作通过在两相纳米复合材料中引入三维(3D)界面来克服这种权衡。与传统的二维(2D)界面不同，三维界面延伸到垂直于界面平面的维度，并且在化学和晶体学上与它们连接的两相不同。尽管在某种意义上，这种方法之前已经使用均匀的非晶界面区域进行了探索。

在这里，我们在所有空间维度上施加几个纳米长度尺度上的界面非均质性控制，以获得改善的力学性能。以Cu/Nb纳米层为模型系统，研究了与纯Cu和Nb层厚度相当的三维界面的力学行为。在这种相对长度尺度下，3D界面通过阻止塑性限制剪切局部化来提高强度和变形能力。变形能力在这里定义为应变软化剪切局部化开始之前的应变。

美国明尼苏达大学双城分校化学工程与材料科学系Justin Y. Cheng、加州大学机械工程系的Shuozhi Xu等研究人员针对上述现象提出了一种界面位错堆积介导的变形机制，其中纯金属层与界面厚度之间的相对尺度是抑制剪切局部化的关键因素。在准静态加载条件下，利用原子信息相场位错动力学(PFDD)模拟了三维界面上堆积位错的集体运动。PFDD是唯一能够模拟通过三维界面的位错阵列所采取的最小能量路径。这项工作揭示了控制纳米复合材料三维界面结构的关键微观结构指标，通过促进离位变形实现创纪录的强度和塑性组合。相关研究成果以题“Simultaneous High-Strength and Deformable Nanolaminates With Thick Biphase Interfaces”发表在ACS美国化学学会电子期刊上。

本文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c04144

图1所示：10-10 Cu/Nb的亮场透射电镜剖面图。(a) Cu和Nb三维界面的晶体非均质性导致的衍射对比度差异。在晶体结构上与纯材料不同的区域看起来比10 nm薄。这是因为在接近纯材料的成分中沉积的合金材料由于外延而倾向于采用该材料的晶体结构。(b)傅立叶过滤高分辨率显微图，在几个单元格的长度尺度上突出晶体的不均匀性。所述插图是显微照片中的放大区域;含有许多这种异质性的局部区域用黄色圆圈标出。

图2所示：压缩后的10-10 Cu/Nb微柱快照:(a)压缩前，(b)均匀变形时，(c)剪切局部化后。为了进行比较，我们在(d)中加入了40-10 Cu/Nb的快照，以及(e)中移位压缩后h = 40 nm 2D Cu/Nb的显微照片。从(d)和(f)中可以看出，在(b)和(d)应变之前40-10 Cu/Nb发生剪切局部化，并且非常严重。

图 3. 纳米晶 (nc) 和纳米孪晶 (nt) Cu、PVD 和 ARB 2D Cu/Nb、CuZr 合金和 3D Cu/Nb 的塑性不稳定性开始时的塑性应变与流动应力的关系曲线。箭头表示位错障碍间距的减少（其他位错、晶界、孪晶界或异相界面）。CuZr 中没有箭头，因为其特性仅通过引入 AIFs 来增强（而不是通过障碍间距的改变）。

图 4所示：描述 (a) 10-10 和 (b) 40-10 Cu/Nb 中假设的位错堆积-界面相互作用的图表。（a）相对于3D界面厚度-滑移传递，有限的堆积尺寸的影响被抑制到足以抑制高度局部剪切带的形成。(b)堆积尺寸足够大，可以促进沿普通滑移系统跨越纯金属层的滑移传递，从而促进锋利的剪切带的形成。在(c)10-10和(d) 40-10 Cu/Nb中高度变形柱的TEM显微照片中观察到的变形性质证实了所提出的堆积-界面相互作用。

图 5. (a-d) 描述了文本中描述的 PFDD 模型中 4 个位错宽的堆积与 10 nm 3D 界面的相互作用，以及 (e) 将堆积中的每个位错传输所需的应力图表一个 3D 界面，表示为水平轴上的 h' 和图表标题中的堆积大小的函数。(e) 中的 y 轴被截断以帮助可视化位错传输应力的差异。在（a-d）中，堆积位错位置相对于 3D 界面在传递前导位错所需的临界剪切应力下按比例绘制。在 (a) 1.53、(b) 1.63、(c) 1.69 和 (d) 1.88 GPa 的施加剪切应力下描绘了位错。

综上所述，我们在这项工作中表明，适当尺寸的Cu/Nb纳米复合材料结晶区域之间的三维界面区域同时提高了强度和变形能力，也同时降低了剪切局部化的趋势。结合实验和模拟，我们表明，这种不寻常的行为来自于堆垛与三维界面的特殊相互作用，并取决于界面厚度与堆垛尺寸比，当界面厚度足够高时，该比例削弱了堆垛对界面上位错传输的机械优势。相当厚的三维界面会提高复合材料的屈服应力，这反过来又激活有利于非几何平面上的滑移。这种滑移的分散可以导致均匀变形，提高整体变形能力和加工可淬硬性。这项工作揭示了一个关键的微观结构指标，它决定了3D界面能在多大程度上提高了纳米晶合金的强度和变形能力，为超强但可变形的材料铺平了道路。