異構金屬材料由於具有優異的強度-塑性匹配而受到廣泛關注。因製備相對成熟，異構材料中的梯度結構材料（晶粒尺寸呈梯度分佈變化）展現出了巨大的工程應用潛力。變形過程中，梯度結構會使層間產生極大的應變不協調。這有望啟用層內約束，從而產生獨特的晶體學和力學行為響應。然而，迄今為止，梯度結構的跨尺度變形機理尤其是其對強度和均勻伸長率的影響尚不清楚。尚存在的問題可歸納為：（1）梯度結構額外的強化以及應變硬化源自何處？有何晶體學機制？（2）奈米梯度結構表面層如何獲得較大的均勻伸長率？
為闡明以上問題，近日，來自四川大學和北京大學的研究人員將一種梯度結構高錳鋼作為實驗材料，系統研究了其在拉伸變形中的應變、硬度和顯微組織演化，揭示了梯度結構兼具強化和應變非局域化的特點。相關論文以題為“Superior strength-ductility synergy achieved by synergistic strengthening and strain delocalization in a gradient-structured high-manganese steel”發表在Materials Science & Engineering A上。
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https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141853
本文中，作者透過旋轉加速噴丸並控制噴丸速度得到了3種梯度結構板狀樣品，分別命名為G50m/s、G40m/s和G30m/s。根據橫截面硬度分佈，將樣品表面沿厚度方向分別定義為梯度表面層（GSL）和均勻粗晶（CG）中心層，如圖1所示。
圖1. 梯度樣品從最頂端表面到芯部硬度分佈。
對比純GSL以及純CG組織和完整梯度組織的變形行為後可以發現，奈米結構表面層存在分散的應變集中帶，將使GSL產生應變非局域化。CG基體較好的韌性可阻礙應變帶的擴充套件，從而導致應變分佈較分散。而梯度組織存在高密度且分佈均勻的應變集中帶，使得GSL能進一步均勻伸長。此外，梯度組織中更密集的變形孿晶表明層間協同變形可促進孿晶誘導塑性（TWIP）。
圖2. 完整梯度組織和取自G50m/s樣品上純GSL、CG基體的單軸拉伸行為。（A）工程應力-應變曲線；（B）應變硬化速率-真應變曲線。其中（A）中綠色曲線為G50m/s樣品的預測響應，陰影部分表示協同變形產生的額外流變應力∆σ；（B）中陰影部分展現出了突出的應變硬化行為。
圖3. G50m/s樣品（A1-A2）、純GSL樣品（B1-B2）和均勻CG樣品（C1-C2）的εx和εy分佈。Y軸為拉伸載荷方向，X軸為樣品寬度方向。應變集中帶在εx圖譜中用冷色表示，在εy圖譜中用暖色表示。每個應變圖中數字代表施加的εy。（B1）中黑色箭頭表示劇烈應變集中的產生。
圖4. 沿圖3中黑色箭頭所示應變集中帶的εy（A）和εx（B）分佈。
圖5. 梯度樣品次表面εy（A1）和εx（A2）形態與分佈。白色箭頭指向表面早期應變帶，黑色箭頭指向成熟的應變集中帶。
圖6. （A）帶有完整梯度組織與純組織的G50m/s樣品上不同深度層的硬度變化對比；（B）額外的硬度變化。
圖7. 深度為80μm處的明/暗場照片。（A1-A2）取自G50m/s樣品上的純GSL試樣拉伸斷後組織；（B1-B2）帶有完整結構的G50m/s樣品在拉伸應變為22%時的組織。右列暗場照片均為綠色虛線框所在位置的放大圖。
圖8. 與均勻組織對比，梯度組織透過強化和應變非局域化實現了屈服強度和均勻伸長率的協調。
總的來說，作者透過DIC應變測定、硬度測試和組織表徵研究了梯度組織對高錳鋼變形行為和力學效能的影響。可以看出，由於大量變形孿晶的開動以及突出的位錯可動性，梯度層產生了額外的加工硬化效果，從而能夠實現強度-韌性的協同效應（文：囍人）
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