下文摘自"新重庆-重庆日报”公众号：关注重庆市科技创新大会|如何让纳米金属材料“硬”而不“脆”？他们展开了“大改造” (cqrb.cn)

鱼和熊掌不可兼得？对于重庆大学材料科学与工程学院教授黄晓旭来说，他和团队从事金属材料研究的过程中，就实现了高强度、高塑性“两者兼得”。8月19日，2023年度重庆市科学技术奖揭晓，由他领衔开展研究的“微纳金属微观组织调控与强韧化机理”项目，获得重庆市自然科学奖一等奖。

据介绍，金属材料是国家重大工程和国民经济建设的关键材料，随着社会经济发展，国内外重大工程的复杂性和服役环境的特殊性对金属材料提出了更苛刻的要求，开发新型先进金属材料成为各国研究重点。

“强度是金属材料最为重要的性能指标。提高金属材料强度是研发新型金属材料的重要方向。”黄晓旭说，金属材料一般由大量细小的结构单元组成，研究人员把这种结构单元叫作晶粒，而细化晶粒是提高金属材料强度的有效途径。当晶粒从传统的微米尺度（粗晶材料）细化到亚微米尺度（超细晶材料）甚至纳米尺度（纳米材料）后，金属材料会表现出优异的综合力学性能，比如高强度、高硬度、高耐磨性等。

▲黄晓旭教授与团队成员在开展讨论。受访者供图

黄晓旭团队通过10余年研究，把金属材料的晶粒尺度细化到3纳米，“这已经是目前制备纳米金属材料的一个极限，它的强度可以达到粗晶材料的5—10倍，实现了超高强度。”

不过，在金属材料强度上实现重大突破的同时，随之而来的，是细晶软化、塑性严重下降、结构热稳定性差等需要避免的负面效应。塑性，即材料的变形能力。黄晓旭解释说，强度越低意味着材料越软，越容易变形，甚至可以用手就掰弯，而强度越高的材料就越难变形。比如陶瓷很硬，强度高，但它就不能变形，一敲就碎了，塑性“材料的强度上升、塑性下降，这种强度与塑性的倒置关系，在金属材料中普遍存在。”他表示，尤其是在大塑性变形制备的纳米结构材料中，材料在强度大幅提升的同时，塑性几乎完全丧失。换句话说，晶粒非常小的纳米金属材料，它就像陶瓷一样很“脆”，容易断裂，“这成为纳米金属材料工程应用的瓶颈。”

如何让看似矛盾的“鱼”和“熊掌”实现兼得，让纳米金属材料既很“硬”但又不“脆”？

“任何一种材料的宏观性能都是由它内部的微观组织决定的。”黄晓旭说。经过多年的攻关，他们对金属材料的微观组织展开了“大改造”，从原来均匀粗晶或均匀细晶材料，变为非均匀的层状结构，即一层粗晶组织一层细晶组织，交替分布，就可以解决这一问题。

据悉，目前，该团队已成功制备出具有非均匀微纳层状结构的系列金属材料（低碳钢、双相钢、铝合金、镁合金、钛合金），这些材料同时具有高强度和高塑性。相关研究成果在《自然》等权威杂志上发表论文50余篇，处于国际领先水平，为未来开发高性能金属材料奠定了重要的理论基础。

“下一步，我们还将在材料轻量化方面做一些应用研究探索，让这些成果往产业应用方向发展。”黄晓旭说。