灵感来自大自然，研究人员创造了更坚固的金属材料

从骨骼和竹子结构中汲取灵感，研究人员发现，通过逐步改变金属的内部结构，它们可以制造更强大的材料，可以为各种各样的应用定制 - 从身体盔甲到汽车零件。

“If you looked at metal under a microscope you’d see that it is composed of millions of closely-packed grains,” says Yuntian Zhu, a professor of materials science and engineering at NC State and senior author of two papers on the new work. “The size and disposition of those grains affect the metal’s physical characteristics.”

“Having small grains on the surface makes the metal harder, but also makes it less ductile – meaning it can’t be stretched very far without breaking,” says Xiaolei Wu, a professor of materials science at the Chinese Academy of Sciences’ Institute of Mechanics, and lead author of the two papers. “But if we gradually increase the size of the grains lower down in the material, we can make the metal more ductile. You see similar variation in the size and distribution of structures in a cross-section of bone or a bamboo stalk. In short, the gradual interface of the large and small grains makes the overall material stronger and more ductile, which is a combination of characteristics that is unattainable in conventional materials.

“我们称之为”梯度结构“，您可以使用此技术自定义金属的特征，”Wu增加。

吴和朱合作研究了在各种金属中测试了梯度结构概念，包括铜，铁，镍和不锈钢。该技术在所有这些中提高了金属的性质。

研究团队还在任何工业应用中使用的间隙免费（IF）钢中的新方法进行了测试。

如果常规如果钢足够强以承受450兆帕斯卡（MPA）的应力，则它具有非常低的延展性 - 钢可以仅拉伸至其长度的不超过5％而不会破碎。这使它不安全。低延展性意味着材料易受灾难性失败的影响，例如突然捕获一半。高度韧性材料可以伸展，这意味着它们更有可能为人们提供时间来回应在总失败之前的问题。

相比之下，研究人员采用梯度结构创建了一个钢;它足以处理500MPa和延性，在失败之前将其长到20％的长度。

研究人员也有兴趣使用梯度结构方法使材料更耐腐蚀，磨损和疲劳。

“我们认为这是一种令人兴奋的材料研究领域，因为它具有一系列应用程序，并且可以很容易且不廉价地纳入工业过程中，”吴说。

这项工作是在最近发表的两个论文中描述的：“梯度结构协同加强，“这是7月2日在线发布的材料研究字母， 和 ”梯度结构的非凡菌株硬化，“哪个发表在国家科学院的诉讼程序。该工作得到了美国陆军研究办公室的支持，授予W911NF-09-1-0427和W911QX-08-C-0083。

- 船员 -

编辑注：研究摘要跟随。

“通过梯度结构的协同加强”

作者：X.L.吴，P.江，L.陈，J.F.张和F.P.中国科学院人民币;Y.T.北卡罗来纳州立大学朱

发表：7月2日在线，材料研究字母

迪伊：10.1080 / 21663831.2014.935821

抽象的：梯度结构的特征在于宏观刻度上的微观结构的系统变化。在这里，我们认为金属等工程材料中的梯度结构产生内在的协同强化，远远高于单独的梯度层的总和。这是由宏观应力梯度和通过不同层之间的机械不相容产生的双轴应力引起的。这一发现代表了加强利用机制和材料科学原则的新机制。它可以提供具有优越特性的材料结构的新策略。

“通过梯度结构的非凡菌株硬化”

作者：X.L.吴，P.江，L.陈和F.P.中国科学院人民币;Y.T.北卡罗来纳州立大学朱

发表：在线5月5日，国家科学院的诉讼程序

迪伊：10.1073 / pnas.1324069111

抽象的：通过在许多生物系统（如骨骼和植物茎）中的自然选择和优化，梯度结构在数百万年中发展，其中结构从表面变为内部。梯度结构的优点是它们最大化物理和机械性能，同时最小化材料成本。在这里，我们报告说，金属等工程材料中的梯度结构使得具有独特的额外应变硬化，这导致高延展性。单轴张力下的晶粒尺寸梯度诱导宏观应变梯度，并且由于沿梯度深度的不相容变形的演化而将施加的单轴应力转化为多轴应力。由此促进了脱位的积累和相互作用，导致额外的硬化和明显的应变硬化速率上调。这种非凡的菌株硬化，其是梯度结构所固有的并且不存在于均匀材料中，通过构建异质纳米结构来提供一种新的策略来开发强和延性材料。