李毅、潘杰等：高层错能金属中构筑超细纳米孪晶结构

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金属材料的强化是长期以来材料领域的核心研究方向。细晶强化（即Hall-Petch强化，包括晶界强化/孪晶界强化）是目前最常用且有效的强化手段之一，其内在机制是源于晶界/孪晶界对位错运动的阻碍。然而，当晶粒尺寸（d）和孪晶片层厚度（λ）达到某个临界尺寸（10-15nm）时，材料的主导变形机制将转变为晶界运动或退孪生，从而使其表现出Hall-Petch关系失效或软化效应（即材料强度随着d/λ的降低而不再增加甚至降低），成为了材料强度提升的瓶颈问题。
　　近期，金属所沈阳材料科学国家研究中心材料动力学研究部段峰辉特别研究助理（第一作者）、李毅研究员、潘杰副研究员和与上海交通大学郭强教授合作，首次在高层错能金属Ni中实现了超细纳米孪晶结构的可控构筑，以及纳米孪晶Ni在10nm片层厚度以下持续强化。这一结果突破了人们对纳米晶金属材料在极小结构尺寸下发生软化的现有认知，为发展超高强度/硬度金属材料提供了可行途径。相关研究成果于6月30日发表在Science Advances杂志上。

图1 λ=2.9nm的纳米孪晶Ni的微观结构。（A）典型的三维结构，包括平面图和截面图。（B）和（C）分别为孪晶片层厚度和柱状晶粒宽度的分布图。（D）高倍TEM截面图像。（E）高分辨TEM图，插图为相应的选取电子衍射花样。（F）XRD曲线，表现为强烈的（111）织构。

图2 纳米孪晶Ni的持续强化行为。纳米孪晶Ni的强度随孪晶片层厚度的变化关系。作为对比，图中不仅包含了文献中不同晶粒尺寸或孪晶片层厚度纯Ni强度值，还包含了纳米孪晶铜的强度随孪晶片层厚度的变化关系。这些强度值都是通过单轴拉伸和压缩实验获得的。可以清楚的看到，在片层厚度小于10-20nm时，纳米孪晶Ni表现出持续强化现象，而纳米孪晶铜表现出软化行为。

　　纳米孪晶结构普遍存在于低层错能金属材料中，而在高层错能金属Ni（γsf=128mJ/m2）中引入高密度生长孪晶，特别是极小片层厚度的孪晶结构至今鲜有报道。研究人员采用直流电沉积技术，基于高沉积速率和镀层拉应力的协同作用，成功地在金属Ni中获得体积分数达100%的柱状纳米孪晶结构，实现了孪晶片层厚度从2.9 到81.0nm 的可控调节。我们的研究表明，λ<10nm 时，纳米孪晶Ni的强度和硬度仍然随着片层厚度的减小而增加，表现出持续强化和硬化行为。最小片层厚度（λ=2.9nm）的纳米孪晶Ni表现出最高的屈服强度（~4.0GPa），约是目前报道的纳米晶Ni最高强度（~2.2GPa）的2倍。微合金化的纳米孪晶NiMo合金片层厚度甚至能够达到1.9nm 以及更高的强度4.4GPa.
　　纳米孪晶Ni的持续强化行为源于两个方面：软化机制被抑制，以及两种强化机制（强化模式I型位错和二次孪晶）的启动。前者主要归因于Ni具有较高层错能，致使不全位错在晶界的形核阻力较大，且不全位错倾向于束集成全位错，抑制了退孪生的发生。后者对位错的运动具有强烈的阻碍作用，提供了强化作用。另外，高密度孪晶界的形成过程可能会诱发晶界弛豫。弛豫态晶界具有更好的机械稳定性，发射不全位错的临界应力也更大。这种不全位错的发射会导致晶界进一步弛豫。而且高层错能金属的弛豫态晶界发射不全位错的临界应力更高。
　　该研究得到中国科学院金属研究所，沈阳材料科学国家研究中心，中国科学院青年创新促进会和国家自然科学基金（优秀青年基金和面上项目）等项目资助。


        文章来源：金属所
        李毅，男，中国科学院金属研究所研究员。曾任职于新加坡国立大学材料科学与工程系，先后担任讲师、高级讲师、副教授（终身教职）、教授职位。2011年作为国家人才计划获得者被引进到中国科学院金属研究所。担任沈阳材料科学国家（联合）实验室非平衡金属材料研究部主任，博导。主要专注于非平衡金属材料，包括块体非晶合金的制备和性能研究。拥有多项适合工业应用的非晶合金专利。在国际一流学术刊物上发表SCI论文250余篇（包括Science，Nature Communication，PRL，Nano Letters，Acta Materialia)、论文被SCI他人引用8000+次，H－index 46。
         郭强，博士，男，上海交通大学教授。1982年生，2005年7月毕业于北京大学信息科学与技术学院微电子学专业，获理学学士学位。2006年9月毕业于美国麻省理工学院材料科学与工程系，获工程硕士学位(M. Eng.)。2006年-2010年在新加坡国立大学“新加坡-麻省理工学院学术联盟”先进材料专业攻读博士学位，其间于2009年3月-2010年3月在麻省理工学院材料系任研究助理。2010年9月获得博士学位(Ph.D.)。2010年9月加入美国加州理工学院工程学部应用物理及材料科学系任博士后研究员。2012年10月加入上海交通大学材料科学与工程学院及金属基复合材料国家重点实验室任研究员，博士生导师。长期以来，郭强对金属非晶、单晶及复合材料开展研究，擅长用微纳米加工技术和先进的材料表征技术开发具有优越力学性能的金属材料，例如以氮化硅(SiN)微米尺度悬臂梁为平台，论证了金属非晶合金的玻璃形成能力、力学性能与合金成分之间的紧密联系;以电子束光刻结合电镀的技术路线制备了直径100nm以下的金属单晶、双晶柱体式样，并测量其压缩、拉伸性能，以及在高能离子辐照下的力学性能演化规律。研究成果共十余篇论文发表在高影响力的国际期刊上，如Science、Small、Advanced Functional Materials、Acta Materialia、Applied Physics Letters等，并多次获得主流媒体的报道。2010年获美国材料研究会(Materials Research Society)年会优秀报告奖。在上海交通大学，郭强主要从事先进金属基复合材料的制备和性能研究。