近日，中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组在金属梯度位错结构合金研究方面取得重大突破。中国矿业大学材料科学与工程专业2008届毕业生潘庆松研究员为论文第一作者，相关成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”为题于2023年9月14日的《科学》（Science）周刊上以First Release形式在线发布。相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3974
应变硬化，也被称作加工硬化，可以追溯到古老的青铜时代，它也是最早被广泛应用在金属材料强化策略中的方法。这个传统方法主要是通过增加典型线性缺陷（也就是位错）的数量以及它们在晶格中的相互影响来实现的。随着位错数量的增加，位错流动性逐渐降低，从而需要施加更大的应力才能使其发生额外的变形。 一般来说，像软质粗粒（CG）金属这种应变硬化程度最高的材料，往往也具有最好的拉伸延展性。这主要是因为位错在这些材料中有丰富的空间，并且可以自由移动和存储，因此它们能够产生最大的自由移动和存储路径。在结晶固体中，位错与位错之间的相互作用会产生局部位错缠结的现象。这种缠结最终会形成三维网络的位错图案，导致进一步的变形变得非常困难。这些成果将有助于推动相关领域的研究，并且可以为新的材料和加工技术的发展提供基础支撑。
中科院金属所卢磊研究员团队的实验结果为我们揭示了一个奇妙的现象：在77开尔文条件下，一种具有梯度位错单元的稳定单相合金在整个变形阶段的应变硬化率竟然超过了粗晶粒材料。这一发现颠覆了我们的传统认知，因为这种特殊的应变硬化竟然源于一种独特的动态结构细化机制，既是由大量多方向微小堆积断层的发射和运动所促成的，与传统的线性位错介导变形有着天壤之别。更令人惊讶的是，原子尺度平面变形层错在塑性变形中的主导地位为增强和硬化金属材料引入了新的方法，为开发高强度和韧性材料提供了一种不同的范式，尤其适用于深空和海洋探测、液化天然气储存、低温物理等广泛的低温应用领域。
图1. 梯度位错结构（GDS）合金的典型显微组织
图2. GDS 合金在 77 K 时的应变硬化和强度-延展性组合
图3. GDS 表面层在 77 K 拉伸过程中的微观结构演变
图4. GDS 和 CG 合金在 77 K 拉伸后 SF 概率和位错密度的演变
潘庆松，博士，研究员，国家优秀青年基金获得者。本科就读于中国矿业大学材料科学与工程学院（2004-2008年），在矿大学习期间，他就对材料科学产生了浓厚的兴趣，学习成绩非常优异。曾获校特等奖学金、董事会奖学金、国家奖学金、孙越崎奖学金、全国大学生英语竞赛三等奖等奖项，被评为江苏省三好学生。2008年9月免试推荐至中科院金属研究所攻读博士学位，师从沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部卢磊研究员。2014年12月毕业并获工学博士学位，随后加入材料疲劳与断裂研究部。目前，主要从事纳米结构材料疲劳与断裂基础研究。已在Science（一作2篇）、Nature（一作1篇）、Acta Materialia等期刊发表多篇颇有影响力论文，引起了广泛关注。
