通过结合强度低的大型柱状晶粒(多种颜色)和强度较高的超细晶粒基底(黑色)，研究人员发现一种在不牺牲金属塑形的条件下提升金属强度的方法。

(图片来源：北卡州立大学Yuntian Zhu)

北卡罗莱纳州立大学和中国科学院的研究人员们开发了一种方法，在不牺牲金属塑性的条件下使钛的强度更高，之前没有人实现这两种性能结合。研究人员认为他们的技术也可以用于其他金属并有可能创造出更加节能的汽车。

“自古以来，材料或具有高强度或者具有高塑性，但几乎从来不会具备这两种性能，”北卡罗莱纳州立大学材料科学与工程教授兼发表在美国国家科学院院刊论文的共同通讯作者Yuntian Zhu说。“我们设法两全其美。这会让我们利用更强的材料来制造出更轻的车辆，但还需要具有足够的塑性来防止材料遭受毁灭性的破坏。”

这里的关键概念是晶粒尺寸，或者金属的晶体尺寸。小晶粒尺寸的金属强度更高，这意味着他们在开始变形之前可以承受更大的力。但小晶粒的金属塑形更低，意味着它们在断裂之前可以承受更小的应变。塑形不好的材料不会弯曲或拉伸太多，它们会迅速断裂。相反，大晶粒尺寸的金属塑形更好，但强度较低。

这项新技术控制晶粒尺寸，为金属提供超细晶粒钛的强度和粗粒钛的塑形。

研究人员开始利用不对称轧制工序处理2毫米厚钛板。在不对称轧制过程中，板通过两个轧辊，两边的轧辊对板施加压力，但是其中一个辊比另一个旋转得更快。这不仅把板压得更薄，而且由于不同的辊速，还在金属内部引入切应变。

换句话说，快速辊一端的钛晶体结构移动速度比慢速辊端要快。这有效地扭曲和分解了晶体结构，形成材料中的小晶粒。

研究者重复不对称轧制过程，直到金属厚度为0.3毫米，然后在475°C加热五分钟。使得其中一些小晶粒再结晶成大晶粒，形成大小晶粒混合的形状。大晶粒显示出狭长的柱状，每个柱状体被一层小颗粒围绕着。

制备出的材料与小晶粒钛一样强，因为周围小晶粒层使大晶粒很难变形，但该材料也保留大晶粒的塑形，因为一旦施加足够的应变，大小晶粒时会以不同的速率变形，意味着不同尺寸的晶粒必须相互协调，就像交通必须适应路面上较慢的汽车。晶粒尺寸的差别导致了被称为加工硬化的现象，即材料被拉伸的程度越大，就变得越硬。

“除了制备出兼顾强度和塑形的金属，这种材料比粗晶粒钛具有更强的应变硬化，曾认为是不可能的事情，”来自中国科学院力学研究所的通讯作者兼论文第一作者XiaoleiWu说。

这项新技术中使用的一些工艺已经广泛地用于工业生产。“只是他们还没有按这种方式使用，”Wu说。“因此，这应该很容易实现规模化。”从事该项目的Wu和Zhu确认这项技术将会用于其他金属和合金。 

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮