科學家發現納米孿晶銅的極值強度和超高加工硬化效應
1月30日，《科學》報道了中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧磊研究員領導的研究小組與盧柯研究員、丹麥Risφ國家實驗室的黃曉旭博士合作研究的成果，他們利用共格孿晶界獨特的穩定界面結構獲得了具有超細特征尺寸的納米結構金屬，并發現減小孿晶片層厚度將增加材料的強度。這一發現表明當純金屬的特征尺寸降低至納米量級時，由于塑性變形機制的變化會導致極值強度的出現，同時表現出一般金屬材料所不具備的超高加工硬化效應。評審人認為作者在利用納米孿晶強化材料本質方面獲得了具有重大意義的發現，不但豐富和拓寬了人們對納米尺度材料塑性變形的本質的認識，同時也為進一步發展高性能納米結構材料及其應用提供了重要線索。 普通多晶體金屬材料的強度通常隨晶粒尺寸的減小而升高。這種晶粒細化強化源于更多晶界阻礙了位錯運動，從而使塑性變形困難。但是，當晶粒尺寸小至納米量級時，晶格位錯運動將受到抑制，塑性變形的控制機制由晶格位錯運動逐步轉化為晶界行為，從而使材料強度下降。因此，理論分析和分子動力學模擬均預測當金屬材料的晶粒尺寸小至納米量級時其強度將出現一極大值，隨晶粒尺寸進一步減小會導致材料軟化。然而迄今為止這種極值強度在純金屬力學性能實驗中尚未觀察到。其主要原因是制備超細晶粒尺寸（通常小于10納米）的納米材料非常困難：由于純金屬材料中晶粒具有很高的長大驅動力。通常晶粒愈小，長大驅動力愈大，晶粒很容易在室溫狀態或更低的溫度下就發生長大。因此如何制備出穩定的超細特征尺寸的納米結構材料并探索其本征變形機理長期以來是納米金屬材料領域一大難題。 盧磊研究員及其合作者采用脈沖沉積技術通過細致的工藝探索在純銅樣品中成功地將孿晶片層平均厚度(λ)減小到約4 nm，并發現減小孿晶片層厚度材料的強度增加。當孿晶片層厚度為15nm時，材料強度達到最大值。進一步減小孿晶片層，強度反而減小、出現軟化現象。隨孿晶片層減小，樣品的塑性和加工硬化能力單調增加。當孿晶片層小于10納米時，其加工硬化系數超過了粗晶純銅的加工硬化系數，即銅及銅合金的加工硬化系數上限，表現出超高加工硬化能力。分析表明納米孿晶銅中極值強度的出現是由于隨孿晶片層尺寸減小塑性變形機制從位錯孿晶界相互作用主導轉變為由孿晶片層結構中預存位錯運動主導所致。而超高加工硬化效應則來源于納米孿晶片層中大量孿晶界可有效吸納高密度位錯，其位錯密度較一般多晶體中的飽和位錯密度高1-2個數量級。 塑性變形過程中共格孿晶界可有效阻礙位錯，具有和普通晶界相似的強化作用。同時，共格孿晶界又可作為位錯的滑移面吸納大量位錯，與普通晶界相比孿晶界結構更加穩定，其晶界過剩能僅為普通晶界的十分之一。因此，納米孿晶結構從能量上要比相同化學成分的納米晶體結構穩定很多。這種穩定的超細納米孿晶結構的獲得不僅是傳統材料制備技術的突破，同時也為深入研究金屬材料力學行為的納米尺寸效應提供了可能。
