长期以来，强度与塑性之间的倒置关系一直是结构金属材料发展的共性瓶颈。基元序构设计策略为破解这一困境提供了全新思路：通过精确调控跨尺度基元的空间梯度排列，发挥基元间的协同效应，诱导塑性应变梯度，激发高密度几何必需位错，从而实现其综合性能非线性提升。目前，多数序构金属材料仍以尺寸梯度设计为主（如调控晶粒尺寸、孪晶片层厚度等），通过构建屈服强度梯度来形成塑性应变梯度以获得强化。然而，这种梯度变形主要发生在塑性变形初期，难以在大应变条件下持续贡献应变硬化与延伸率，因此强度-塑性倒置矛盾尚未根本破解。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心序构金属材料研究部卢磊研究员团队与清华大学高华健教授团队合作，提出了一种全新的“织构梯度”设计策略，成功在层状纳米孪晶铜中实现了强度与塑性的协同提升。相关研究成果以“Texture-gradient engineering unlocks strength-ductility synergy in laminated copper”为题，4月10日发表于国际材料科学期刊《Materials Today》。

研究团队采用电解沉积技术在纳米孪晶纯铜中构建了一种独特的“三基元梯度”层状结构，不仅包含晶粒尺寸和孪晶片层厚度梯度，还创新性地引入了织构（或晶体学取向）的梯度变化（见图1）。织构梯度的加入使得梯度变形实现了从小应变到大应变的“接力”效应：尺寸梯度主要贡献变形初期的应变梯度与强化；织构梯度则通过变形各向异性梯度产生侧向应变梯度，且该梯度随应变的增加而显著增强。大应变下，所形成的应变梯度可激发超高密度的几何必需位错，甚至诱发罕见的退孪生行为并形成超细位错胞，从而维持较高的应变硬化率，最终实现高强度与高延伸率的协同提升（见图2）。

这一发现是本团队继揭示双梯度纳米孪晶结构额外强化与应变硬化效应（Science 2018）之后的又一次重要突破，表明在既有梯度基础上引入织构梯度，可延长梯度变形阶段，显著提升应变硬化与延伸率，从而有效打破强度与延伸率之间的倒置困境。该成果进一步丰富了基元序构金属强韧化的设计策略与力学原理，为发展下一代高性能金属结构材料提供了具有普适性的设计准则。

该工作中，中国科学院金属研究所程钊研究员、博士研究生柳林海以及南洋理工大学李智博士为论文共同第一作者，卢磊研究员与高华健教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、国家重点科技发展计划、中国科学院全球共性挑战专项等项目的资助。

图1 三基元梯度纳米孪晶（L-T）Cu的微观结构。具有单一晶粒尺寸梯度（A）、晶粒尺寸和孪晶片层厚度双基元梯度（B）以及包含织构梯度在内的三基元梯度（C）的层状结构示意图，均由硬（Ⓗ）和软（Ⓢ）基元组成，分别简称为L-S、L-D和L-T。L-T Cu中一层的EBSD图像（D）和SEM图像（G）以及该层起始位置（F）和结束位置（E）的（111）极图。该层起始位置（G中黑框所示）的高倍SEM图像（H）和TEM图像（I）。（J）（111）极密度、晶粒尺寸和孪晶片层厚度随距界面深度的演变规律。（K）具有7层三梯度的L-T-7样品的横截面SEM图像。

图2  L-T Cu的力学性能。（A）均匀纳米孪晶HNT-Ⓢ与三梯度纳米孪晶L-T-3和L-T-7样品的拉伸工程应力-应变曲线。插图为应变硬化率与真应变曲线。（B和C）分别为L-T-7和HNT-Ⓢ样品在不同应变下的硬度分布。（D）L-T-7的侧向应变梯度ηy随拉伸应变的演变规律，并与实验测得的拉伸轴方向的应变梯度ηx及不考虑织构梯度效应预测得到的侧向应变梯度ηy相比较。（E）对比了L-T、L-S、L-D以及均匀纳米孪晶HNT结构的断裂延伸率-屈服强度综合性能。