魚(yú)和熊掌不可兼得？對(duì)于重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授黃曉旭來(lái)說(shuō)，他和團(tuán)隊(duì)從事金屬材料研究的過(guò)程中，就實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高塑性“兩者兼得”。8月19日，2023年度重慶市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭曉，由他領(lǐng)銜開(kāi)展研究的“微納金屬微觀(guān)組織調(diào)控與強(qiáng)韌化機(jī)理”項(xiàng)目，獲得重慶市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

據(jù)介紹，金屬材料是國(guó)家重大工程和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵材料，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外重大工程的復(fù)雜性和服役環(huán)境的特殊性對(duì)金屬材料提出了更苛刻的要求，開(kāi)發(fā)新型先進(jìn)金屬材料成為各國(guó)研究重點(diǎn)。

“強(qiáng)度是金屬材料最為重要的性能指標(biāo)。”黃曉旭說(shuō)，金屬材料晶粒從傳統(tǒng)的微米尺度（粗晶材料）細(xì)化到亞微米尺度（超細(xì)晶材料）甚至納米尺度（納米材料）后，金屬材料會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，比如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等。

黃曉旭團(tuán)隊(duì)通過(guò)10余年研究，把金屬材料的晶粒尺度細(xì)化到3納米，“這已經(jīng)是目前制備納米金屬材料的一個(gè)極限，它的強(qiáng)度可以達(dá)到粗晶材料的5—10倍，實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)度。”

不過(guò)，在金屬材料強(qiáng)度上實(shí)現(xiàn)重大突破的同時(shí)，隨之而來(lái)的，是細(xì)晶軟化、塑性嚴(yán)重下降、結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性差等需要避免的負(fù)面效應(yīng)。

塑性，即材料的變形能力。黃曉旭介紹，在大塑性變形制備的納米結(jié)構(gòu)材料中，材料在強(qiáng)度大幅提升的同時(shí)，塑性幾乎完全喪失。換句話(huà)說(shuō)，晶粒非常小的納米金屬材料，它就像陶瓷一樣很“脆”，容易斷裂，“這成為納米金屬材料工程應(yīng)用的瓶頸。”

如何讓看似矛盾的“魚(yú)”和“熊掌”實(shí)現(xiàn)兼得，讓納米金屬材料既很“硬”但又不“脆”？

“任何一種材料的宏觀(guān)性能都是由它內(nèi)部的微觀(guān)組織決定的。”黃曉旭說(shuō)。經(jīng)過(guò)多年的攻關(guān)，他們對(duì)金屬材料的微觀(guān)組織展開(kāi)了“大改造”，從原來(lái)均勻粗晶或均勻細(xì)晶材料，變?yōu)榉蔷鶆虻膶訝罱Y(jié)構(gòu)，即一層粗晶組織一層細(xì)晶組織，交替分布，就可以解決這一問(wèn)題。

據(jù)悉，目前，該團(tuán)隊(duì)已成功制備出具有非均勻微納層狀結(jié)構(gòu)的系列金屬材料（低碳鋼、雙相鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金），這些材料同時(shí)具有高強(qiáng)度和高塑性。相關(guān)研究成果在《自然》等權(quán)威雜志上發(fā)表論文50余篇，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，為未來(lái)開(kāi)發(fā)高性能金屬材料奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

“下一步，我們還將在材料輕量化方面做一些應(yīng)用研究探索，讓這些成果往產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向發(fā)展。”黃曉旭說(shuō)。