魚和熊掌不可兼得？對於重慶大學材料科學與工程學院教授黃曉旭來説，他和團隊從事金屬材料研究的過程中，就實現了高強度、高塑性“兩者兼得”。8月19日，2023年度重慶市科學技術獎揭曉，由他領銜開展研究的“微納金屬微觀組織調控與強韌化機理”項目，獲得重慶市自然科學獎一等獎。

  據介紹，金屬材料是國家重大工程和國民經濟建設的關鍵材料，隨着社會經濟發展，國內外重大工程的複雜性和服役環境的特殊性對金屬材料提出了更苛刻的要求，開發新型先進金屬材料成為各國研究重點。

  “強度是金屬材料最為重要的性能指標。”黃曉旭説，金屬材料晶粒從傳統的微米尺度（粗晶材料）細化到亞微米尺度（超細晶材料）甚至納米尺度（納米材料）後，金屬材料會表現出優異的綜合力學性能，比如高強度、高硬度、高耐磨性等。

  黃曉旭團隊通過10餘年研究，把金屬材料的晶粒尺度細化到3納米，“這已經是目前製備納米金屬材料的一個極限，它的強度可以達到粗晶材料的5—10倍，實現了超高強度。”

  不過，在金屬材料強度上實現重大突破的同時，隨之而來的，是細晶軟化、塑性嚴重下降、結構熱穩定性差等需要避免的負面效應。

  塑性，即材料的變形能力。黃曉旭介紹，在大塑性變形製備的納米結構材料中，材料在強度大幅提升的同時，塑性幾乎完全喪失。換句話説，晶粒非常小的納米金屬材料，它就像陶瓷一樣很“脆”，容易斷裂，“這成為納米金屬材料工程應用的瓶頸。”

  如何讓看似矛盾的“魚”和“熊掌”實現兼得，讓納米金屬材料既很“硬”但又不“脆”？

  “任何一種材料的宏觀性能都是由它內部的微觀組織決定的。”黃曉旭説。經過多年的攻關，他們對金屬材料的微觀組織展開了“大改造”，從原來均勻粗晶或均勻細晶材料，變為非均勻的層狀結構，即一層粗晶組織一層細晶組織，交替分佈，就可以解決這一問題。

  據悉，目前，該團隊已成功製備出具有非均勻微納層狀結構的系列金屬材料（低碳鋼、雙相鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金），這些材料同時具有高強度和高塑性。相關研究成果在《自然》等權威雜誌上發表論文50余篇，處於國際領先水平，為未來開發高性能金屬材料奠定了重要的理論基礎。

  “下一步，我們還將在材料輕量化方面做一些應用研究探索，讓這些成果往産業應用方向發展。”黃曉旭説。