对钢材而言，强度和韧性是衡量品质的重要标准，但两者却总是鱼与熊掌不可兼得，只能根据需要选取一个折衷方案。力学研究所魏宇杰研究员和他的研究团队探索出有效的材料制备方法，实现了孪晶钢材料变形中的梯度多层次孪晶结构，大幅度提升孪晶钢材料的强度且不损失其拉伸韧性，相关论文发表在最近出版的《自然通讯》上。
当我们用力拉横截面积相同、长度相等的两种材料，比如铁棒和木棒，如果每施加一点力后再将卸载，铁棒和木棒将恢复到它们的原始长度，这一过程为材料的弹性变形阶段。如果逐步增加所施加的力，到一定程度，卸载后铁棒和木棒的长度将不能完全恢复，这一对应状态下的力，如果考虑单位横截面积，对应于铁棒和木棒的强度。再持续增加外力，材料进入我们常说的塑性变形阶段。这时铁棒的不可恢复部分的变形逐渐变多，并最终导致材料断裂，在临破坏前，铁棒的最终长度可能比初始长度增加了30-50%。与此相对照，临破坏前木棒的最终长度可能只比初始长度增加了百分之几。这一最终可拉伸的长度，即对应于材料的拉伸韧性。在弹性阶段，强度越高我们就可用越少截面积的材料来承担相同大小的力；韧性越好，材料变形过程中所能吸收的能力就越多。一般而言，铁棒比木棒的强度高，塑性变形能力强，拉伸韧性好。这也是人类逐步用钢铁取代木材，使前者成为最广泛使用的工程材料的原因。
对于同一类材料，尤其是金属材料，它们的强度与韧性之间是对立的，类似于我们常说的熊掌与鱼的关系（见图一）。这一对立关系，是由于材料内在的微观结构和变形机理导致的，如何设计并控制材料微观结构，激活所希望的变形机理，实现强度与韧性两者兼得，是科研人员长期追求的目标。对钢铁而言，考虑到它巨大的使用范围，更是重点研究方向。最近几年出现的孪晶钢（TWIP），由于其韧性好，受到了广泛的关注，尤其是交通行业，因为好的韧性变形能在事故过程中将大量的冲击带来的能量耗散在材料变形过程中，从而提高安全性。其缺点是强度太低，导致疲劳寿命（能承受的循环载荷的次数）低。
受文献中高速碾磨后具备纳米结构表层的铜金属所展现的优异力学性能的启发，中国科学院力学研究所、上海大学、北京科技大学、浙江大学和布朗大学组成的研究团队探索出有效的材料制备方法，实现了孪晶钢材料变形中的梯度多层次孪晶结构，大幅度提升孪晶钢材料的强度且不损失其拉伸韧性。通过预加的扭转变形，首先在孪晶钢中实现了孪晶密度梯度（如图二所示）。由于孪晶界面是原子在某一个排列方向的镜面对称面，原子高度有序排列，这类具备孪晶密度的钢材在之后的拉伸变形中强度显著提高，而韧性没有变化。更为重要的是，这一材料制备方法简洁有效、不受材料尺寸的限制。这些特点使得这一研究具有很高的实用价值，能广泛应用于需要增强的轴对称结构，如轴承、转子等结构，服务于汽车、高速铁路等行业。
实现大幅度强度提升且不损失材料拉伸韧性的原因在于材料经过预加的扭转变形之后形成的孪晶密度梯度，使得材料由里至外，强度线性增加，这种表面强，内部弱的同类材料复合结构，其强度由各处的体积平均决定。孪晶密度梯度也使得材料在塑性过程中维持较高的硬化（随着材料塑性变形而需要增加载荷以实现进一步变形的现象），这一硬化特点能有效防止变形局部集中导致的材料破坏。
更为重要的是，由于预处理中孪晶密度梯度的存在，后续的拉伸变形使得材料内部形成梯度多层次孪晶结构（如图三所示）。实验和理论分析表明，在不同的材料处理和变形阶段，晶体内在的不同孪晶与位错系统被激活，使得变形在微观层次趋于均匀分布，同时维持材料宏观上的应变硬化，阻止材料的塑性变形局域化。
该工作在线发表在4月1日的自然通讯杂志上（魏宇杰，李永强，祝连春，刘垚，雷现奇，王刚，吴彦欣，米振莉，刘嘉斌，王宏涛，高华健. Evading the strength-ductility trade-off dilemma in steel through gradient hierarchical nanotwins, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms4580, 1 April 2014）。相应的材料处理方法已申请国家专利（专利申请号CN103290183A）。
该研究工作受到了中国科学院、科技部973计划以及国家自然科学基金委等机构的资助。
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图一：典型钢材的韧性随强度增加而降低的趋势。数据来源：美国钢铁公司。
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图二：扫描电镜图表明预扭转处理后的材料沿径向形成孪晶梯度。（a）到(c): 从试样的中心位置没有孪晶到试样的表面位置具备高密度孪晶。（d）电子背散射衍射显示的(c)的扫描结果，显示条带状变形为孪晶。（e）孪晶宽度在纳米量级。(f)孪晶界面非常规则。
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图三：扫描电镜图表明预扭＋拉伸变形后材料内部形成多级孪晶结构。红、蓝、绿箭头分别代表主孪晶、次生孪晶、三层孪晶。
（转自：中国科学院力学研究所网站）
