目前人们发现通过构建含有纳米孪晶结构的fcc合金能够显著改善其性能。2021年9月16日，加州大学伯克利分校Andrew M. Minor、北京航空航天大学Shiteng Zhao等人在Science报道了纳米粒子合成中，微结构变化过程伴随的机械力学性质演变。在液氮温度条件下，通过施加压缩应力的方式在六方密堆积结构Ti金属中构建纳米孪晶结构。作者发现使用含有少量氧的Ti容易产生孪晶结构，纳米孪晶Ti的纳米孪晶结构导致提高50 %的屈服强度和20 %的延展性；在液氮温度材料的性能更加优异，能够产生高达2 GPa的屈服强度，拉伸延展性提高100 %。构建的纳米孪晶结构的热稳定性高达873 K，这个温度高于许多极端操作环境的临界温度，因此具有广泛的应用前景。研究结果说明，无需引入昂贵的合金元素就实现优异的机械性能，这项工作被选为Science当期封面。中科院力学研究所武晓雷、北卡罗来纳大学魏秋明（Qiuming Wei）等对这项研究工作中的关键数据结果提出质疑。图2.质疑者通过作者给出的真实应力-应变曲线得出的工程应力-应变曲线该研究工作提出含有纳米孪晶的Ti具有优异的机械力学性能，这是论文的主要亮点，也是主要的质疑问题。质疑者提出许多重要机械力学性能参数，包括极限拉伸应力、断裂强度、均匀伸展率的数据真实性存在问题。通常这些关键参数需要根据ASTM标准E8/E8M，从拉伸工程应力-应变曲线（engineering stress-strain curve）得到，这种工程性性质与本征数值之间遵循方程式关系：因此，作者提出材料2GPa极限拉伸应力数据并不是真实数值，通过这个方程给出了不同荷载条件得到的材料极限拉伸应力数值，计算结果显示当温度在77K，纳米孪晶Ti金属的最大极限拉伸应力仅为800 MPa。进一步的，从拉伸工程应力-应变曲线，还发现以下问题：首先，样品的延伸率EL（elongation to failure）达到160 %，但是这个数据可能来自样品的尺寸产生的表观延展性，文章中测试样品的计量长度仅为0.68 mm，通过有限元模拟计算发现，这种小尺寸样品在测试的过程中不可避免的将产生严重的应力测试误差。虽然作者通过刚度校正（Stiffness correction）方法对压力-应变关系进行校正，但是这种数据校正方法仍难以获得样品的真正变形情况。此外，值得质疑的方面还在于，样品在室温达到屈服极限后，立刻产生流动软化现象。这种在室温条件孪晶能够完全消失的现象反而能够在77 K产生显著作用和影响令人难以理解。而且，冷锻Ti能够在673K温度稳定、同时在室温条件样品由于去孪晶化作用实现材料软化，这两种现象并不一致。为了正确解释这种问题，将真实压力-应变曲线、应力-硬化速率区间结合。通过将两种数据结合，给出含纳米孪晶的Ti材料的极限拉伸应力仅为820 MPa，远低于作者认为的2 GPa。作者针对其提出的质疑进行回应，认为这些质疑是没有根据的、并且存在多个不一致的地方。作者认为，必须明确的一点，工程应力-应变曲线数据是评价材料机械性能的一个比较方便的方法，但是这种机械性能评价标准并不是评价材料机械力学性能最好的标准。通常人们在研究材料的塑性变形机理与材料的微结构变化之间的关系时，使用工程应力-应变曲线只能对弹性区间的机械力学性能数值给出准确结果，并不适用于研究材料的塑性变形区间性质。因此通常需要使用真实应力-真实应变曲线方法才能准确表征材料的应变硬化。首先，作者提出文章中使用相同形状的样品用于比较不同样品的机械力学性能。而且，通过数位影像相关法DIC（digital image correlation）直接对样品的应力分布情况进行成像分析，发现von Mises应力均匀的分布在样品中，能够根据测试机械应力过程中样品的变化情况说明测试结果的准确性，样品和测试设计具有真实意义。因此，作者认为基于这种测试结果，能够给出工程应力/应变数据与真实应力/应变之间的定量规律。进一步的，作者考察了不同形貌样品的应力分布情况、整体应力-应变曲线，发现不同形貌的样品都呈现类似的应力-应变变化规律。因此，有信心认为测试实验结果的可靠性。此外，作者还对质疑者提出的另一个问题（纳米孪晶在室温软化消除，但是能够在77 K低温产生非常显著的效应）进行解释，指出质疑者提出问题中存在的缺陷，导致其认为的“50 %过分估计材料的变形能力”的质疑点是不对的。图6. 77 K折断样品的EBSD图、逆极点图映射【1】Shiteng Zhao*, Ruopeng Zhang, Qin Yu, Jon Ell,Robert O. Ritchie, Andrew M. Minor*, Cryoforged nanotwinned titanium withultrahigh strength and ductility. Science，2021,373, 1363–1368DOI: 10.1126/science.abe7252https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe7252【2】Shiteng Zhao*, Ruopeng Zhang, Qin Yu, Jon Ell,Robert O. Ritchie, Andrew M. Minor*, Response to Comment on “Cryoforgednanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”, Science, 2022, 376(6594)DOI: 10.1126/science.abo5247https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5247【3】Yazhou Guo, Xiaolei Wu, Qiuming Wei, Comment on“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”, Science,2022, 376 (6594)DOI: 10.1126/science.abo3440https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo3440
