自然界中梯度结构无处不在。近来，微观结构梯度的概念被越来越多地应用于工程材料中。鉴于其独特的变形机制，梯度结构材料普遍表现出较好的强度、硬度、加工硬化及抗疲劳性能等。但是，如何理解结构梯度对力学性能的影响规律长期以来面临巨大挑战。其原因之一是现有技术很难制备出结构梯度精确可调控的块体材料，如表面加工或机械处理技术所获样品梯度层体积分数及结构梯度均有限，从而严重限制了人们对梯度结构金属内在梯度与力学性能相关性以及其本征变形机制的理解。
卢磊和高华健课题组的科研人员利用直流电解沉积技术，通过调节电解液温度，实现孪晶片层厚度和晶粒尺寸沿样品厚度的梯度变化，获得结构梯度定量可控的纳米孪晶铜材料。随结构梯度增加，梯度纳米孪晶铜强度和加工硬化率同步提高；结构梯度足够大时，梯度材料的强度甚至超过了梯度微观结构中最强的部分。这种独特的强化行为在其它均匀、非均匀微观结构中均未观察到。
科研人员通过微观结构分析与分子动力学计算模拟结合发现，梯度纳米孪晶铜额外的强化和加工硬化归因于梯度结构约束而产生的大量几何必需位错富集束。这些位错富集束在变形初期形成，沿着梯度方向均匀分布在晶粒内部。这种均匀分布的位错束结构，与均匀结构材料中随机分布的统计储存位错结构截然不同，具有超高位错密度的位错富集束变形过程中通过阻碍位错运动、有效抑制晶界应变局域化从而提高梯度纳米孪晶结构的强度和加工硬化。
相关论文信息：DOI: 10.1126/science.aau1925
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