魚和熊掌不可兼得？對于重慶大學材料科學與工程學院教授黃曉旭來說，他和團隊從事金屬材料研究的過程中，就實現(xiàn)了高強度、高塑性“兩者兼得”。8月19日，2023年度重慶市科學技術(shù)獎揭曉，由他領(lǐng)銜開展研究的“微納金屬微觀組織調(diào)控與強韌化機理”項目，獲得重慶市自然科學獎一等獎。

據(jù)介紹，金屬材料是國家重大工程和國民經(jīng)濟建設(shè)的關(guān)鍵材料，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，國內(nèi)外重大工程的復雜性和服役環(huán)境的特殊性對金屬材料提出了更苛刻的要求，開發(fā)新型先進金屬材料成為各國研究重點。

“強度是金屬材料最為重要的性能指標。”黃曉旭說，金屬材料晶粒從傳統(tǒng)的微米尺度（粗晶材料）細化到亞微米尺度（超細晶材料）甚至納米尺度（納米材料）后，金屬材料會表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能，比如高強度、高硬度、高耐磨性等。

黃曉旭團隊通過10余年研究，把金屬材料的晶粒尺度細化到3納米，“這已經(jīng)是目前制備納米金屬材料的一個極限，它的強度可以達到粗晶材料的5—10倍，實現(xiàn)了超高強度?！?/p>

不過，在金屬材料強度上實現(xiàn)重大突破的同時，隨之而來的，是細晶軟化、塑性嚴重下降、結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性差等需要避免的負面效應(yīng)。

塑性，即材料的變形能力。黃曉旭介紹，在大塑性變形制備的納米結(jié)構(gòu)材料中，材料在強度大幅提升的同時，塑性幾乎完全喪失。換句話說，晶粒非常小的納米金屬材料，它就像陶瓷一樣很“脆”，容易斷裂，“這成為納米金屬材料工程應(yīng)用的瓶頸?！?/p>

如何讓看似矛盾的“魚”和“熊掌”實現(xiàn)兼得，讓納米金屬材料既很“硬”但又不“脆”？

“任何一種材料的宏觀性能都是由它內(nèi)部的微觀組織決定的?！秉S曉旭說。經(jīng)過多年的攻關(guān)，他們對金屬材料的微觀組織展開了“大改造”，從原來均勻粗晶或均勻細晶材料，變?yōu)榉蔷鶆虻膶訝罱Y(jié)構(gòu)，即一層粗晶組織一層細晶組織，交替分布，就可以解決這一問題。

據(jù)悉，目前，該團隊已成功制備出具有非均勻微納層狀結(jié)構(gòu)的系列金屬材料（低碳鋼、雙相鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金），這些材料同時具有高強度和高塑性。相關(guān)研究成果在《自然》等權(quán)威雜志上發(fā)表論文50余篇，處于國際領(lǐng)先水平，為未來開發(fā)高性能金屬材料奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

“下一步，我們還將在材料輕量化方面做一些應(yīng)用研究探索，讓這些成果往產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向發(fā)展?！秉S曉旭說。