目前人們發現通過構建含有納米孿晶結構的fcc合金能夠顯著改善其性能。2021年9月16日，加州大學伯克利分校Andrew M. Minor、北京航空航天大學Shiteng Zhao等人在Science報道了納米粒子合成中，微結構變化過程伴隨的機械力學性質演變。在液氮溫度條件下，通過施加壓縮應力的方式在六方密堆積結構Ti金屬中構建納米孿晶結構。作者發現使用含有少量氧的Ti容易產生孿晶結構，納米孿晶Ti的納米孿晶結構導致提高50 %的屈服強度和20 %的延展性；在液氮溫度材料的性能更加優異，能夠產生高達2 GPa的屈服強度，拉伸延展性提高100 %。構建的納米孿晶結構的熱穩定性高達873 K，這個溫度高于許多極端操作環境的臨界溫度，因此具有廣泛的應用前景。研究結果說明，無需引入昂貴的合金元素就實現優異的機械性能，這項工作被選為Science當期封面。中科院力學研究所武曉雷、北卡羅來納大學魏秋明（Qiuming Wei）等對這項研究工作中的關鍵數據結果提出質疑。圖2.質疑者通過作者給出的真實應力-應變曲線得出的工程應力-應變曲線該研究工作提出含有納米孿晶的Ti具有優異的機械力學性能，這是論文的主要亮點，也是主要的質疑問題。質疑者提出許多重要機械力學性能參數，包括極限拉伸應力、斷裂強度、均勻伸展率的數據真實性存在問題。通常這些關鍵參數需要根據ASTM標準E8/E8M，從拉伸工程應力-應變曲線（engineering stress-strain curve）得到，這種工程性性質與本征數值之間遵循方程式關系：因此，作者提出材料2GPa極限拉伸應力數據并不是真實數值，通過這個方程給出了不同荷載條件得到的材料極限拉伸應力數值，計算結果顯示當溫度在77K，納米孿晶Ti金屬的最大極限拉伸應力僅為800 MPa。進一步的，從拉伸工程應力-應變曲線，還發現以下問題：首先，樣品的延伸率EL（elongation to failure）達到160 %，但是這個數據可能來自樣品的尺寸產生的表觀延展性，文章中測試樣品的計量長度僅為0.68 mm，通過有限元模擬計算發現，這種小尺寸樣品在測試的過程中不可避免的將產生嚴重的應力測試誤差。雖然作者通過剛度校正（Stiffness correction）方法對壓力-應變關系進行校正，但是這種數據校正方法仍難以獲得樣品的真正變形情況。此外，值得質疑的方面還在于，樣品在室溫達到屈服極限后，立刻產生流動軟化現象。這種在室溫條件孿晶能夠完全消失的現象反而能夠在77 K產生顯著作用和影響令人難以理解。而且，冷鍛Ti能夠在673K溫度穩定、同時在室溫條件樣品由于去孿晶化作用實現材料軟化，這兩種現象并不一致。為了正確解釋這種問題，將真實壓力-應變曲線、應力-硬化速率區間結合。通過將兩種數據結合，給出含納米孿晶的Ti材料的極限拉伸應力僅為820 MPa，遠低于作者認為的2 GPa。作者針對其提出的質疑進行回應，認為這些質疑是沒有根據的、并且存在多個不一致的地方。作者認為，必須明確的一點，工程應力-應變曲線數據是評價材料機械性能的一個比較方便的方法，但是這種機械性能評價標準并不是評價材料機械力學性能最好的標準。通常人們在研究材料的塑性變形機理與材料的微結構變化之間的關系時，使用工程應力-應變曲線只能對彈性區間的機械力學性能數值給出準確結果，并不適用于研究材料的塑性變形區間性質。因此通常需要使用真實應力-真實應變曲線方法才能準確表征材料的應變硬化。首先，作者提出文章中使用相同形狀的樣品用于比較不同樣品的機械力學性能。而且，通過數位影像相關法DIC（digital image correlation）直接對樣品的應力分布情況進行成像分析，發現von Mises應力均勻的分布在樣品中，能夠根據測試機械應力過程中樣品的變化情況說明測試結果的準確性，樣品和測試設計具有真實意義。因此，作者認為基于這種測試結果，能夠給出工程應力/應變數據與真實應力/應變之間的定量規律。進一步的，作者考察了不同形貌樣品的應力分布情況、整體應力-應變曲線，發現不同形貌的樣品都呈現類似的應力-應變變化規律。因此，有信心認為測試實驗結果的可靠性。此外，作者還對質疑者提出的另一個問題（納米孿晶在室溫軟化消除，但是能夠在77 K低溫產生非常顯著的效應）進行解釋，指出質疑者提出問題中存在的缺陷，導致其認為的“50 %過分估計材料的變形能力”的質疑點是不對的。圖6. 77 K折斷樣品的EBSD圖、逆極點圖映射【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
