近日，河北工业大学原子尺度研究团队在国际顶级学术期刊Science Advances上发表了题为“Enhancing strength and ductility via crystalline-amorphousnanoarchitectures in TiZr-based alloys”的研究论文，揭示了纳米尺度晶体-非晶三维双联续结构有助于改善材料强度和塑性的固有矛盾，实现材料强度和塑性的同时提升。论文的第一作者为河北工业大学材料学院明开胜副教授，中科院金属所朱正旺研究员为共同一作，通讯作者为河北工业大学郑士建教授、内布拉斯加大学林肯分校王健教授和北京大学韦小丁教授。论文第一通讯单位为省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室/材料科学与工程学院。
强度和塑性是金属结构材料的两个重要力学性能。但是，强度的提高往往伴随着其塑性的降低，即强度和塑性呈倒置关系。例如，细晶强化和第二相强化会降低应变硬化能力，从而降低塑性。金属非晶材料（又称金属玻璃）通常要比对应的晶体材料具有更高的强度，但是其在<2%塑性应变下就会出现灾难性的脆性断裂。由连续的非晶基体和微米尺度晶体枝晶组成的金属玻璃基复合材料（MGMC）能够在一定程度上协调强度和塑性，但是MGMC在拉伸下没有应变硬化能力，所以MGMC的抗拉强度无法得到有效提升。
与晶体材料不同，随着特征尺寸减小到纳米级，金属玻璃的变形能力显著增强。因此，由纳米非晶相和晶体相组成的晶体-非晶复合材料有望同时获得高强度和高塑性。作者设计了一种独特的TiZr基纳米晶-非晶复合材料，该合金由等轴的微米晶组成，且每个晶粒内部由三维双连续晶体-非晶纳米双相结构(3Dbicontinuous crystalline-amorphous nanoarchitectures，3D-BCAN) 组成。
亚稳的晶体相通过位错滑移和马氏体相变产生塑性变形，而纳米非晶相由于界面约束表现出均匀的塑性变形。原位拉伸测试表明，与单一晶体和非晶相材料相比，3D-BCAN 表现出更加优异的塑性和应变硬化能力，使TiZr 基合金具有超高屈服强度（~1.80 GPa）、抗拉强度（~2.3 GPa）和高塑性（均匀延伸率~7.0%）。结合透射电子显微镜观察和有限元模拟，作者揭示了晶体-非晶纳米双相结构协同变形机制，即非晶相对晶体相施加额外的应变硬化，而晶体相阻止了非晶相中的过早剪切局部化。这些独特的机制赋予TiZr 基合金优异的强度、塑性和应变硬化能力。该研究提供了一种通过三维双连续纳米双相结构设计来制备高强韧晶体-非晶纳米复合材料的新策略。
文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abm2884?af="R