加工硬化是金属结构材料拉伸塑性的基础，其前提是拉伸变形时在晶粒内部形成、增殖并储存的位错，位错之间以及位错与界面和析出相等的交互作用引起加工硬化。当晶粒细化至纳米尺度时，晶粒内部则很难产生并储存位错，降低了加工硬化能力，引起低塑性瓶颈。在高强度纳米结构金属中，如何形成并储存位错是实现其加工硬化的难题，更是挑战。

　　近日，中国科学院力学研究所武晓雷研究团队提出了一种加工硬化新策略，即利用塑性失稳实现加工硬化，相关研究结果以 “Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys” 为题于2024年4月11日在《自然材料》(Nature Materials) 期刊上在线发表。非线性力学国家重点实验室博士研究生徐博文和陈雪飞与沈阳材料科学国家实验室段慧超博士为共同第一作者，武晓雷研究员为通讯作者。

　　团队制备了多主元VCoNi合金纳米结构，面心立方结构的纳米晶粒包含化学短程有序。纳米结构的初始拉伸变形是吕德斯带(Lüders band)扩展，研究人员发现：一旦吕德斯带开始扩展，在其前端就已经发生了塑性失稳、即早期颈缩 (premature necking)，在颈缩处随即形成了三轴应力状态，快速产生了高密度位错，其中位错密度增量为9.3×1014 m-2，位错增殖速度为4.61013 m-2 s-1。这些位错引起了林位错加工硬化和异质变形诱导硬化，后者是几何必需位错与化学短程有序的应变场之间交互作用的结果。在吕德斯带扩展过程中，加工硬化体现出关键作用  反过来抑制并稳定住了吕德斯带的失稳扩展，还能使纳米结构进行均匀变形。据此，研究人员克服了高强纳米结构的低塑性瓶颈，室温准静态拉伸性能为屈服强度2.0 GPa和拉伸塑性16%，在极端低温、即液氦和液氮温度下则获得记录级性能2.2 GPa和20%。这些结果展现了一个另辟蹊径的“抑制失稳”而非传统“推迟失稳”的加工硬化途径，即低加工硬化能力引起早期塑性失稳 - 失稳则诱导位错产生和加工硬化 - 加工硬化反过来抑制失稳。

　　此工作拓展了长期以来教科书中对于吕德斯带变形的传统理解，揭示了高强纳米结构中之前未知的吕德斯带变形物理，并为研发高力学性能金属材料及其极端环境应用提供了新思路。

　　上述工作得到了国家重点研发计划、中国科学院先导专项和国家自然科学基金等资助。

　　全文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41563-024-01871-7

图1 多主元VCoNi合金纳米结构的力学性能、吕德斯带变形物理与加工硬化行为. (a, b) 室温(298 K)和低温(4 K, 77 K)拉伸工程应力应变曲线. 屈服降和吕德斯带扩展是典型的初始拉伸响应. 箭头表示吕德斯带扩展应变；方框对应极限拉伸强度. (c, d) 室温和低温下屈服强度(σy)和拉伸塑性(εu)的优异匹配. (e, f)吕德斯带前端最大侧向收缩速率(νmax)和位错密度(ρ)随拉伸应变的演化规律. (g) 吕德斯带前端的三轴应力状态. (h) 异质变形诱导应力增量(上图)与加工硬化率(下图)在流变应力和总体硬化率中的占比