导读：本文研究了由各向同性纳米晶基体和各向异性纳米孪晶束组成的异质纳米结构Cu在载荷方向平行、法向和45°倾斜于挛晶界（TBs）的各向异性拉伸行为。与同质纳米孪晶（NT）对应物中的各向异性增强作用不同，异质结构在平行拉伸下表现出最高的强度，在正常拉伸下表现出中等的强度。纳米孪晶束与纳米颗粒基体之间存在取向相关的变形相容性，即平行取向下的相容变形，但在与TB垂直和45°倾斜的方向上均存在明显的不兼容。取向相关的变形相容性归因于纳米晶粒基体中各向同性剪切带与纳米孪晶束中的各向异性变形之间的相互作用。

异质结构（HS），包括纳米孪晶结构、双相结构、异构层状结构、梯度结构和谐波结构等，由具有微观结构、长度尺度或化学组成巨大差异的组件构成的。由于其优越的机械性能，在过去几年中引起了广泛的关注。高强度，大延展性和增强的应变硬化能力的结合和改进的疲劳和断裂阻力一般不会在常规的均质材料中达到。通常，在异质材料中改善的综合机械性能被认为是由于异质形变引起的强化或应变硬化与强烈机械差异的微结构部件的相互约束密切相关。

当将高密度的多个纳米孪晶，即纳米孪晶束（NTB）嵌入到纳米晶（NG）基体中时，可以获得高强度，同时保持相当大的断裂韧性，NTBs是NG基体的理想增强和增韧组分。原则上，纳米挛晶可以有效地阻止位错运动。同时，它们保留了足够的位错积聚和储存空间，并抵抗微孔成核和破裂。

尽管通过引入NTBs在增强各种金属和合金方面取得了令人兴奋的成功，但由于有限的可用样品尺寸，有关TB取向对其增强效果的影响的研究仍然缺失。众所周知，纳米孪晶单元中长度尺度的异质性导致塑性变形中的三种不同的位错模式：位错在TBs上的堆积和滑移转移(硬模式I)， (ii)位错在孪晶/基体板层通道中的螺纹滑移(硬模式ii)，以及(iii)平行于TBs的部分位错运动介导的TB迁移(软模式，也称为iii模式)。这三种位错模式分别以垂直、平行和TBs呈45°倾斜的方式控制塑性变形，从而导致屈服强度和应变硬化方面都具有很强的各向异性。

除了各向异性强化外，还应考虑取向相关的变形协调，因为不同加载方向的NTBs变形行为明显不同，不可避免地存在不同的应变分配，目前仅研究了载荷方向几乎平行于TB的情况，在混合微观结构中与NTB相关的各向异性增强和变形相容性仍然难以捉摸。

在此，中科院金属所卢磊研究员团队研究了由NTBs和NG基体组成的异质纳米结构Cu的各向异性拉伸行为。在平行于TBs，垂直于TBs且相对于TBs倾斜45°的载荷方向上进行拉伸测试，研究了异质微观结构中局部应变的演化和应变分配。与同质纳米孪晶（NT）对应物中的各向异性增强作用不同，异质结构在平行拉伸下表现出最高的强度，在正常拉伸下表现出中等的强度。相关研究成果以题“Anisotropic strengthening of nanotwin bundles in heterogeneous nanostructured Cu: effect of deformation compatibility”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

卢磊的二哥就是中国最为著名的材料科学专家，中国科学院院士，中国科学院金属研究所原所长，上海交通大学材料科学与工程学院院长，中国九三学社中央委员会副主席--卢柯。

链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116830

图1 （a）拉伸试样的示意图及其在DPD圆盘中的方向。（b）投影在立方体上的SEM图像分别显示DPD盘的径向（RD），切向（TD）和轴向（AD）的微观结构。（c）DPD Cu的典型横截面微观结构，显示出纳米孪晶中的束的形式指示了与TB平行的方向（与下图中的方向相同）。（d）详细的TEM观察显示，在TB处累积了高位错密度的NT和相应的SAED模式。（e）细长纳米颗粒的亮场和相应区域的SAED图案。（f）TB迹线相对于水平方向的统计角度分布。（g）双层薄片的厚度分布，以及（h）横向和纵向纳米颗粒的尺寸分布。

图2a显示了在不同加载方向下DPD铜试样的工程应力-应变曲线。与它们的粗粒相比较，所有DPD Cu样品均显示出高强度，但有限的均匀延展性，如在严重变形的金属中通常观察到的。同时，DPD Cu的机械响应与取向密切相关。样品-P表现出最高强度，屈服强度σYS为535±4MPa和极限拉伸强度σuts 580±5MPa; 而样品-N显示降低强度（σYS ?= 427±2MPa和σ UTS ?= 483±9MPa）和较低的断裂伸长率F 约3.4％），与样本P~4.5％）。样品-I与倾斜45°的TB示出了最低强度（σ YS ?= 367±3兆帕和σ UTS ?= 468±6MPa），但流动应力小产量峰值之后缓慢下降，这意味着以更高的电阻局部变形。

图2 （a）拉伸方向不同的试样的拉伸工程应力-应变曲线和粗晶（CG）铜对应物进行比较。NT和NG区域中纳米压痕硬度（b）和弹性模量（c）的统计分布。

为了探索样品在微观水平上的变形行为，通过使用间断拉伸试验结合HR-DIC全场应变分析来量化局部塑性应变分布。样品在施加应变为1.0％，1.5％和2.0％时的局部应变分布示于图1和2中。显然，塑性变形在微观上相当不均匀。尤其是样本P的变形（图3（a1-a3））集中在NT和NG区域的几个波段中，两个区域之间未发现任何应变分配。应变局部化带在NG区域中与拉伸轴成?45°方向，而在NT区域中大致垂直于拉伸轴。提取的轮廓（图3中的垂直虚线（a1-a3））表明，截面应变分布随施加的应变的增加而增加（图3（a4））。值得注意的是，在NT / NG界面上不存在应变梯度曲线的峰值（由图3（a5）中的黑色箭头指示），这表明变形在双相组织中是一致的。

图3 样品-P（a1-a3），样品-N（b1-b3）和样品-I（c1-c3）在施加应变分别为1.0％，1.5％和2.0％时的局部应变场。沿相应应变图中描绘的轮廓（垂直点划线）提取的截面应变分布（a4-c4）和导出的应变梯度（a5-c5），其中（a4-c4）中的点划线为每个变形阶段的平均应变水平，虚线A，B表示NT / NG界面的位置，（a5-c5）中的黑色箭头表示沿剖面的最大应变梯度峰值。拉伸轴（TA）用双箭头表示，与下图中的相同。

图4 所施加的应变为1.0％（a1，b1），1.5％（a2，b2）和2.0％（a3，b3）时，蚀刻后的样品P的SEM图像。与图5和图6相同，将纳米级缠绕的区域表示为NT，而将纳米颗粒化的区域表示为NG，并且用虚线标记NT / NG界面。微剪切带和NTB的相互作用在（b1-b3）中突出显示，与（a1-a3）中所示的矩形区域相对应。箭头表示NG区域中的微剪切带，而三角形表示NT区域中的滑动带。

图5 在施加的应变为1.0％（a1，b1），1.5％（a2，b2）和2.0％（a3，b3）的应变下，蚀刻后的样品N的SEM图像。微剪切带（如白色箭头所示）和NTB的相互作用在（b1-b3）中突出显示，与（a1-a3）中指定的矩形区域相对应。

图6 所施加的应变为1.0％（a1，b1），1.5％（a2，b2）和2.0％（a3，b3）时，蚀刻后的样品I的SEM图像。低倍放大图像（a1-a3）显示了微/宏观剪切带和NTB在平行于TBs方向上的相互作用。高倍率图像（b1-b3）显示了微剪切带和NTB在垂直于TBs方向上的相互作用。箭头指示宏观和微观剪切带。

图7示出了在不同加载方向下样品的断裂表面的观察结果。样品P和样品I分别沿相对于拉伸轴倾斜?55°和?50°的断裂面表现出相似的剪切破坏，如图1和2所示。7（a1）和（c1）；而在样品N中，断裂面近似垂直于拉伸轴

图7 断裂拉伸样品的平面以及样品P（a1-a3），样品N（b1-b3）和样品I（c1-c3）的相应宏观/微观断裂表面观察值。在（a1，b1，c1）中标记了三个样品的断裂面相对于拉伸轴的角度。（a2，b2，c2）中的虚线表示颈缩断裂面的轮廓，还显示了面积的减小

图8  SEM图像显示样品P中的NTB滑移带施加了1.0％的应变：（a）NTB中的滑带（由白色三角形表示）与NG矩阵中的剪切带（由白色箭头表示）连接；（b）滑带的放大视图，显示“之字形”形态。

总之，通过拉伸试验，以平行，垂直，与TBs成45°倾斜的加载方向，研究了各向同性NG基体与各向异性NTBs的块状异质纳米结构Cu组成的杂化结构的取向效应。我们发现，纳米孪晶在异质纳米结构中的强化作用主要取决于纳米孪晶的强度及其与周围NG基质的变形相容性。只有当两个组分中的共变形被激活时，纳米孪晶才能发挥出明显的增强作用（平行取向）。否则，加固效果无法完全发挥作用（法向）。与方向有关的变形相容性是由于纳米孪晶的各向异性变形行为以及与NG矩阵中各向同性剪切带的相互作用所致。