卢磊，博士，女，中科院金属研究所研究员、博士生导师，中科院人才计划、国家杰出青年科学基金、国家级人才计划获得者，科技部“纳米科技”重点专项总体专家组成员，辽宁省“兴辽计划”创新领军人才等。
现任国际纳米材料、国际材料强度大会委员会委员；Acta Materialia和Scripta Materialia期刊编辑。主要从事纳米结构金属材料的制备、力学性能及变形机理的基础研究。发表SCI论文110余篇（其中包括Science4篇，Nature2篇）, 被SCI文章引用>15000次，获国内发明专利15项，国际发明专利6项。近年来在国际学术会议做大会、主题和邀请报告70余次。曾获中科院院长奖学金特别奖、全国优秀百篇博士学位论文奖、中国青年女科学家奖、2014-2016年获汤森路透“全球高被引用科学家”，2015-2020年获爱思唯尔“中国高被引学者”、2019-2020年获中国科学院“优秀导师奖”、2021年获“TMS Brimacombe Medal Award”等奖项。
卢磊研究员课题组主要从事块体纳米结构金属材料的研究，包括样品制备、微观结构表征、结构稳定性、综合力学性能和理化性能。通过理解其结构性能关系，揭示纳米结构金属材料的强韧化机理。课题组瞄准国际前沿和国家重大需求，坚持原创性研究，不断拓宽研究基础，致力于在多尺度纳米金属材料的结构设计、制备技术方面取得突破，深入研究多尺度纳米金属材料结构稳定性、微观结构与性能的本征关系，揭示多尺度纳米金属材料强韧化机理，实现金属材料综合性能的整体提高。同时课题组注重人才培养，特别是研究生队伍科研能力和综合素质的培养与提高，以为材料科学研究培养优秀后备人才为重要使命。
值得一提的是，卢磊研究员的二哥正是卢柯院士，兄妹俩都是Nature、Science的常客！今天，卢磊教授的最新研究成果发表在《Science》上，下面，就让小编跟大家一起拜读一下这篇论文。
文章解读
梯度晶胞结构合金中的原子断层诱发异常低温应变硬化
应变硬化又称加工硬化，可追溯到青铜时代，是最早被广泛使用的金属材料强化策略。传统上，应变硬化是由于典型线性缺陷（即位错）的数量及其在晶格中的相互影响显著增加，进而导致位错流动性逐渐降低。因此，必须施加更大的应力才能发生额外的变形。
一般来说，软质粗粒（CG）金属的应变硬化程度最高，拉伸延展性也最好，这是因为位错有丰富的空间和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，最终形成三维网络的位错图案，在这种情况下，进一步的变形变得十分困难。
在此，中科院金属所卢磊教授团队的实验报告显示，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甚至超过了粗晶粒材料。与传统的理解相反，这种特殊的应变硬化产生于一种独特的动态结构细化机制，这种机制是由大量多方向微小堆积断层的发射和运动促成的，与传统的线性位错介导变形有着本质区别。原子尺度的平面形变断层在塑性变形中占主导地位，为金属材料的强化和硬化提供了一种不同的方法，具有良好的性能和潜在的应用前景。相关成果以“Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy”为题发表在《Science》上，第一作者为潘庆松研究员。
梯度位错结构
CG Al 0.1CoCrFeNi MPE 合金样品最初具有平均尺寸约为 46 μm 的随机取向晶粒。对MPE 试样在常温下使用循环扭转（CT）处理，在量规截面上获得了试样级分层 GDS 结构（图 1B）。初始随机取向晶粒结构的粒度和形态均保持不变，从 GDS 样品的表面到核心均呈均匀分布（图 1D）。特别是在晶粒内部引入了大量的低角度边界，并在空间上分布。从顶面开始，随着深度的增加，低角度边界的密度越来越低（图 1E）。作者利用透射电子显微镜观察证实，在最顶部的晶粒中普遍形成了丰富的等轴差排位错胞，其平均错向约为 2°（图 1F）。作者测量到位错胞直径在顶面约为 200 纳米，到 0.45 毫米深处逐渐增加到约 350 纳米（图 1，F 和 G）。
相比之下，在晶核处的晶粒中普遍检测到单个位错和相关的松散位错缠结（图 1H）。除了几个微米间距的退火孪晶外，没有发现堆叠断层或变形孪晶（图 1，E 至 H）。这表示GDS 样品仍处于稳定的单一面心立方（fcc）相状态。
图1 梯度位错结构（GDS）合金的典型显微组织
77 K 时的应变硬化能力
准静态单轴拉伸试验的工程应力应变曲线（图 2A）和真实应力应变曲线（图 2B）都表明，当温度从 293 K 降低到 77 K 时，GDS 样品的强度和延展性显著提高。令人印象深刻的是，块状 GDS 样品在 77 K 时的真实屈服强度约为 0.7 GPa，其真实极限抗拉强度超过 1.8 GPa，远高于 CG 样品。此外，在 77 K 时，GDS 合金检测到较大的应变硬化系数(约为 0.48)，相对于 CG 样品（0.55）略有降低（图 2B）。
拉伸结果分析表明，在 293 K 和 77 K 条件下，当应变超过 1%时，CG 的应变硬化率单调下降（图 2C）。显然，在 293 K 时，GDS 和表面 GDS 样品的应变硬化率仍低于 CG 样品，原因是存在大量预先存在的位错。相比之下，在整个塑性变形阶段，作者在 77 K 的 GDS 中观察到了出乎意料的高应变硬化率。此外，与 CG和 GDS 试样相比，表面 GDS 的应变硬化率进一步升高，即 从 3% 应变时的 4.2 GPa 逐渐下降到2.4 GPa（图 2C）。
GDS 样品具有如此超高的应变硬化率和延展性，这在传统的高强度金属材料和以位错为主的 MPE 合金中是很少见的，这表明梯度位错结构在 77 K 应变时存在固有的非同寻常的应变硬化机制。
图 2. GDS 合金在 77 K 时的应变硬化和强度-延展性组合
动态 SFed 马赛克诱导应变硬化机制
为了破译GDS在低温条件下的异常应变硬化机制，作者通过在77 K下进行早期（3%；图3，A至C）和塑性后期（40%；图3，D至G，）的中断拉伸试验，进一步表征了GDS顶面的微观结构。具体地说，在晶粒内部发现了大量不同取向的片束相互交错的现象，与晶粒取向无关，这在 293 K 拉伸变形的 GDS 表面很少被检测到。这些交错的薄片是不同（111）滑移面上的多个 SF 束和孪晶边界（TB）片段，平均长度为 22 nm（图 3C）。相邻 SF 或 TB 之间的厚度统计平均值仅为 2.8 nm，这与薄片束中的高缺陷密度相对应。当拉伸应变达到 40% 时，相互交叉的平面界面明显增大，进一步将微小的最顶层表面晶粒细分为纳米级的镶嵌体。这些晶粒中最初的等轴位错单元/壁已经消失，取而代之的是晶粒内部丰富的马赛克状亚结构（图 3F），平均尺寸约为 50 纳米。
图 3. GDS 表面层在 77 K 拉伸过程中的微观结构演变
同步辐射 X 射线衍射 (SXRD) 扫描显示，在相同应变下，GDS 和 CG 样品在 77 K 时的 SFs 和孪晶概率高于在 293 K 时的 SFs 和孪晶概率（图 4A），验证了在 77 K 时更容易形成 SFs 和孪晶。在 77 K 时，作者在 GDS 表层获得了更高的 SFs/孪晶概率值（3%），甚至高于在 293 K 时以 40% 的应变进行拉伸加载的 CG 的 SFs/孪晶概率值。由于表面 GDS 样品具有与块体 GDS 样品相同的 GDS 结构，因此这种 SF/孪晶概率的升高也是意料之中的。扩展的常规多重整体 SXRD 曲线分析还显示，与 293 K 时的 GDS 样品和 77 K 时的 CG 样品相比，77 K 时的 GDS 样品的位错密度要高得多（图 4B）。
图 4. GDS 和 CG 合金在 77 K 拉伸后 SF 概率和位错密度的演变
小结
实验观察结果表明，在低温条件下，具有梯度位错结构的单 fcc 相 MPE 合金很容易通过形成极其精细的 SFed 镶嵌而触发一种不同寻常的应变硬化机制，从而使其具有前所未有的高应变硬化能力，甚至超过了 CG 合金。这种在低温条件下由 SFed-马赛克诱导的动态应变硬化机制与早先研究 SF 诱导塑性的结果以及 GDS 合金在室温条件下的优异强度和延展性相呼应。显而易见，与线性位错相比，晶格中潜在的主导原子尺度平面形变断层活动不仅是晶体塑性的另一种基本载体，还能诱导强应变硬化。梯度位错结构和纳米级 SFs 马赛克的特征对于理解物理冶金学的基本应变硬化机制具有重要意义，并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。
来源：高分子科学前沿
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