科学通报|高强金属丝材的力学行为与变形机理

金属丝材作为一类独特的柔性材料，在人类文明发展中发挥着重要的作用(图1)。数千年前，古代工匠将黄金和银加工成细丝，用于制作装饰、珠宝和艺术品。随着技术的发展，金属丝材的应用范围逐渐扩大到生产工具和武器装备领域，相关制备工艺也不再拘泥于质地相对较软的金属。随后，工业革命的到来极大提升了金属丝材的生产能力和规模。经历几千年的发展，人们针对不同金属丝材的属性与需求，已发展出多种成熟的制备方法和工艺，例如拉拔法、回转水纺法、玻璃包覆法、熔体抽拉法和过冷液相区拉拔成型法等。

图1 金属丝材的应用实例[1~5]

随着国家需求的发展，新一代重大装备在深空、深海和极地等极端服役环境中面临考验，如高速冲击、低温、腐蚀等严苛应用场景对高强合金柔性结构提出了严峻的挑战，作为基本构成单元的高强金属丝材已然成为研究者们关注的焦点和热点。

金属丝材作为结构材料的重要组成，其强度和塑性等力学性能决定了金属丝及其构件在工程应用中的服役安全。2014年，德国马普所Raabe院士团队[6]开发出抗拉强度可以到达 6.88 GPa的超高强度珠光体钢丝，截至目前，该强度仍然保持着钢丝强度的世界纪录。2023年，中国科学院力学研究所戴兰宏研究员团队[7]成功研制出具有梯度不均匀片层结构的超强AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金丝材，该丝材不仅在室温下展现出非凡的强度塑性组合水平，其在液氮温度下的低温力学性能甚至突破了传统金属丝材在该温度下的性能极限，显示出在极端服役环境下的巨大应用潜力。基于文献已有实验数据，本文给出了多种高强金属丝材的极限抗拉强度-真实延伸率Ashby图(图2)，并对传统珠光体钢丝、新型非晶合金丝和新型高熵合金丝三种典型高强金属丝材的力学行为进行了详细探讨。

图2 多种高强金属丝材的极限抗拉强度-真实延伸率Ashby图

由于金属丝材各异的微观结构和物理化学特性，其具有各自独特的力学行为和复杂迥异的强塑性变形机理。本文分别就多晶和非晶两类高强金属丝材的强塑性变形机理进行综述。多晶合金丝材的高强度主要源于界面强化、位错强化和析出强化等多种强化机制的共同作用，其塑性变形涉及位错运动、层错扩展、变形孪生以及彼此之间的相互作用等多种复杂的塑性变形机理(图3)；非晶合金丝材的高强度源于其本征的原子无序结构，其塑性变形则主要与流动缺陷的激活与聚集有关。

图3 多晶合金丝材的塑性变形机理[7~9]

近年来，精密仪器和先进制造技术领域蓬勃发展，微米尺度高强金属丝材也逐渐发挥不可替代的作用。然而，随着金属丝直径的减小，变形尺寸效应显现，考虑尺寸效应的应变梯度塑性理论相继发展并有效应用于金属丝材力学行为描述。

本文对金属丝材的发展历史、制备工艺和典型高强金属丝材的力学行为、强塑性变形机理以及本构模型进行了回顾与综述，并对未来研究值得关注的方向提出了几点展望。

参考文献

1 顾旭楠. 编织工艺在珠宝首饰设计中的应用与发展. 硕士学位论文. 北京: 中国地质大学(北京), 2016

2 Andrew C. Ancient Egyptian Jewelry. New York: Harry N. Abrams Inc, 1990

3 Fischer P, Zimmermann R K, Maisano B. CMOS SPAD sensor chip for the readout of scintillating fibers. Nucl Instruments Methods Phys Res Sect A Accel Spectrometers, Detect Assoc Equip, 2022, 1040: 167033

4 Cho C J, Park Y. New Monitoring Technologies for Overhead Contact Line at 400 km·h−1. Engineering, 2016, 2(3): 360-365

5 Tang M C. Forms and Aesthetics of Bridges. Engineering, 2018, 4(2): 267-276

6 Li Y, Raabe D, Herbig M, et al. Segregation stabilizes nanocrystalline bulk steel with near theoretical strength. Phys Rev Lett, 2014, 113(10): 106104

7 Chen J X, Li T, Chen Y, et al. Ultra-strong heavy-drawn eutectic high entropy alloy wire. Acta Mater, 2023, 243: 118515

8 Chen J X, Chen Y, Liu J P, et al. Anomalous size effect in micron-scale CoCrNi medium-entropy alloy wire. Scr Mater, 2021, 199: 113897

9 Liu J P, Chen J X, Liu T W, et al. Superior strength-ductility CoCrNi medium-entropy alloy wire. Scr Mater, 2020, 181: 19-24

陈金玺, 徐彬, 戴兰宏, 陈艳*. 高强金属丝材的力学行为与变形机理. 科学通报, 2024, 69(21): 3154–3176,

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0138

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