近年来，非均匀纳米结构金属材料因具有超高的强度、良好的塑性等显著的力学性能优势，迅速成为了材料科学与工程领域内的研究热点。为了理解非均匀纳米结构的强化效应，很多研究者从不同的角度进行了广泛的研究，其中包括背应力、包申格效应、塑性应变梯度和几何必要位错等。但是，始终缺少一个力学框架能够建立非均匀结构与强化效应之间的内在联系。

　　近期，中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组联合美国佐治亚理工学院朱廷教授团队和南洋理工大学高华健教授团队，以梯度纳米孪晶铜（GNT Cu）为材料模型，针对这一科学难题取得重要进展。相关研究成果于2022年1月XX日在美国科学院院刊（PNAS）上在线发表。其中，程钊副研究员、中国科大联培博士生卜林峰以及佐治亚理工张寅博士为共同第一作者。

　　前期研究（Science, 2018）发现，GNT Cu由孪晶片层厚度和晶粒尺寸同时增加的四种组元构成，通过改变四组元的空间分布可获得一系列结构梯度（单位样品厚度内硬度的变化）逐渐增加的GNT Cu样品。GNT Cu的强度均显著高于四种组元的平均强度，即表现出显著的额外强化行为，并且随着结构梯度增大额外强化程度单调增加。

　　本研究采用实验测试技术将GNT Cu在变形时的流变应力分解为背应力和有效应力，以深入探究该结构强化的动力学过程。结果表明，由软组元到硬组元，背应力逐渐增加，与孪晶片层厚度成反比；但有效应力基本保持不变。有意思的是，GNT Cu的背应力均高于均匀组元的平均背应力，并且随着结构梯度的增加而显著增大，但其有效应力基本保持不变，即GNT Cu额外强化主要来源于背应力的提高。

　　利用微观结构表征和塑性应变梯度模型数值模拟发现（图1），纳米孪晶结构的背应力来源于相邻孪晶片层间的不协调变形和由此在孪晶界上引入的几何必要位错(GNDs)。与之不同的是，GNT Cu在变形过程中，不同组元间因屈服强度不同会在样品厚度方向引起塑性变形梯度，从而引入柏氏矢量平行于孪晶界的GNDs。这些GNDs均以位错富集束的形式存在，提高了GNT Cu的背应力，贡献了额外强化。GNT Cu及其组元的有效应力由跨越2~3个孪晶片层的项链状位错的林位错强化引起，对孪晶片层厚度和结构梯度不敏感。该项工作建立了结构梯度、应变梯度与几何必需位错、背应力和有效应力、强化效应之间的力学框架，可广泛用于理解非均匀纳米结构的变形机制，同时也为高性能金属材料的发展提供了指导。

　　该研究工作获得国家自然科学基金委、中国科学院、辽宁省“兴辽英才计划”及沈阳材料科学国家研究中心等项目资助。

　　图1. GNT Cu的微观变形机制。GNT Cu（结构梯度为11.6 GPa/mm）在应变为1%时位错富集束的低倍形貌(A)和高倍形貌及取向差分布(B)；(C) GNT Cu在拉伸变形过程中的位错结构示意图；纳米孪晶结构引起的不协调变形(D)和几何必需位错(E)；结构梯度引起的不协调变形(F)和几何必需位错(G)。