{首页主词},&

金屬所&上海交大《Science》子刊：突破極限！強度高達4GPa！具有極細納米孿晶厚度的超強金屬材料！

2021-07-02 10:43:18 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：當納米晶和納米孿晶金屬的晶粒尺寸或孿晶厚度低于臨界尺寸時，納米晶和納米孿晶金屬的強度停止增加甚至開始下降——這種現象被稱為霍爾-佩奇擊穿，阻礙了超高強度的實現。本文報告了納米孿晶純 Ni 的連續強化，孿晶厚度范圍從 81.0 到 2.9 nm。在 2.9 nm 的極細孿晶厚度下實現了前所未有的 4.0 GPa 強度，比傳統的粗粒鎳強度高約 12 倍。這種超高強度源于孿晶界的出色穩定性及其對位錯運動的強大阻抗。特別是，我們發現二級納米孿晶被激活以維持塑性變形，這也有助于高強度。

Hall-Petch 強化源于晶界或孿晶界（GBs 或 TBs）阻礙位錯運動，是一種經典但最有效的提高材料強度和硬度的方法。在此理論的基礎上，材料的理想理論強度可以在其極細的晶粒尺寸或孿晶厚度下達到。不幸的是，先前的研究表明，當晶粒尺寸或孿晶厚度低于臨界尺寸（通常約為 10 到 15 nm）時，屈服強度要么保持不變，要么隨著晶粒尺寸或孿晶厚度的減小而降低；這種現象被稱為 Hall-Petch 擊穿或軟化。現有理論表明納米晶粒（NG）和納米孿晶（NT）金屬的軟化機制不同；前者的軟化是由 GB 滑動或晶粒旋轉引起的，而后者是由軟模式位錯（孿晶部分位錯沿 TB 滑動）或解孿晶引起的。在抑制這些軟化機制和實現低于臨界尺寸的持續強化方面仍然存在巨大挑戰。

將溶質原子分離成 GBs 和 TBs 可以有效降低遷移驅動力，從而抑制 NG/NT 合金（如 NG-Ni-Mo 合金和 Cu 微合金化 NT-Ag）的軟化效應 . 結果，即使晶粒尺寸或孿晶厚度低于 10 nm，也能實現連續強化。然而，由于在這個長度尺度上邊界的不穩定性（強烈的解離和遷移趨勢），很少獲得顯示低于 ~10 nm 晶粒尺寸或孿晶厚度的連續強化的純金屬。除了邊界處的偏析影響 GB 和 TB 行為外，TBs 的穩定性還與具有柱狀晶粒的 NT 金屬中的加載方向密切相關。在正常負載條件下，TBS已經報道表現出優異的穩定性，無明顯去孿晶化，并且可以阻礙位錯運動。因此，我們預計具有極細孿晶厚度的NT-金屬可能會發生連續強化，從而實現超高強度。然而，由于難以可控地合成孿晶厚度低于 10 nm 的 NT 金屬，因此對該假設的實驗驗證仍然是一個巨大的挑戰。

在這里，金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料動力學研究部李毅研究員（通訊作者），潘杰副研究員（通訊作者）聯合上海交通大學材料與工程學院研究員郭強通過直流（DC）電沉積成功制造了孿晶厚度范圍為 2.9 至 81.0 nm 的柱狀晶 NT-Ni，并證明了其持續強化。強化可以擴展到 2.9 nm 的孿晶厚度，導致 4.0 GPa 的超高強度。透射電子顯微鏡（TEM）表明，這種強化歸因于細間距 TBs 的優異穩定性，阻礙了解孿晶并導致二次孿晶的形成，這些孿晶是阻礙位錯運動的強大屏障。相關研究成果以題“Ultrastrong nanotwinned pure nickel with extremely fine twin thickness”發表在國際著名期刊Science Advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabg5113

圖 1A顯示了沉積態 NT-2.9 試樣的典型三維顯微結構。平面圖 TEM 圖像顯示等軸納米尺寸晶粒，而橫截面圖像顯示細長柱狀晶粒嵌入納米級生長孿晶（圖 S3）。柱狀晶粒寬度在14-48nm之間，平均值為28nm（圖1B）。孿晶厚度顯示范圍從 0.5 到 15 nm 的窄分布（圖 1C）。放大的 TEM 顯微照片（圖 1，D和 E）表明大多數雙平面具有相干的 TBs （CTBs）。除了這些 CTB 之外，還觀察到一小部分（小于 2%）的非相干 TB 和堆垛層錯（SF）。NT-2.9 樣品的 X 射線衍射（XRD）圖案表明（111）面外晶體結構和微弱（200）峰的存在（圖 1F）；這與TEM結果一致，表明柱狀晶粒的長軸和（111）孿晶面的法線方向平行于生長方向。

圖 1 具有極細孿晶厚度的沉積態 NT-Ni 的典型微觀結構。

（ A ） NT-Ni 的三維結構，由平面圖和橫截面明場 TEM 圖像組成。（B）從沉積的 NT-2.9 樣品的 TEM 和 HRTEM 圖像測量的雙厚度和（C）柱寬分布。（ D ） NT-2.9 樣品的更高放大截面 TEM 圖像。（ E ）沿 [011] 區軸拍攝的 HRTEM 圖像。（E）中的插圖顯示了相應的選區電子衍射圖。（ F ） XRD 圖案顯示NT-2.9 樣品中存在的主要（111）取向。au，任意單位。

為了評估具有極細孿晶厚度的 NT-Ni 的機械性能，我們對直徑約 1.3 μm 的微柱進行了單軸壓縮測試。加載方向與 TB 垂直。圖 2顯示了 NT-2.9 和 NT-6.4 試樣的真實應力-應變曲線，以及從（ 22 ）中獲得的 NG-Ni 和粗晶粒（CG） Ni 的應力-應變曲線，晶粒尺寸為 20 nm 和 80 μm，以進行比較。 NT-6.4 試樣在 2% 塑性應變下表現出 2.9 GPa 的流變應力（這里，我們將 2% 塑性應變下的流變應力指定為被測支柱的σ y），以及約 12% 塑性時的加工硬化行為屈服后的應變，這可能是由于 Lomer-Cottrell 鎖和 TB 之間的更多相互作用引起的。NT-2.9 試樣的流動應力（σ y ）更高，為 4.0 GPa，但塑性有限（~2.5%；）。NT-2.9的強度是晶粒尺寸為20 nm（σ y = 1.9 GPa）的NG-Ni的兩倍以上，是晶粒尺寸為80 μm的CG-Ni（σ y = 0.3 GPa ）的12倍）

圖2 NT-Ni柱的機械性能。

柱子的單軸真實應力-應變曲線顯示 NT-2.9 和 NT-6.4 試樣在 2% 塑性應變下的流變應力分別為 4.0 和 2.9 GPa。還提供了（22）中NG-和 CG-Ni 的真實應力-應變曲線以供比較。紅色正方形、橙色圓圈以及藍色和黑色三角形表示四個樣品在 2% 塑性應變下的流動應力。插圖顯示了對直徑為 1.3 微米的 NT-Ni 試樣進行的壓縮試驗的示意圖。

圖 3 NT-Ni 的連續強化。

Ni 和 Mo 微合金化 NT-Ni （1.3 at. %）的屈服強度隨平均晶粒尺寸或孿晶厚度的變化，以及通過電沉積（ED） Ni、Ni 柱、ED 的拉伸和壓縮試驗直接獲得的文獻數據NT-Ni （ 22 , 24 – 33 , 53 , 54 ）和 NT-Cu （ 2）。分別在沉積態 NT-Ni 和鉬微合金化 NT-Ni 試樣中觀察到連續強化行為延伸至 2.9 和 1.9 nm 的孿晶厚度。相反，當平均孿晶厚度低于 10 至 15 nm 時，在沉積態 NT-Cu 中觀察到軟化行為，即屈服強度隨著晶粒尺寸或孿晶厚度的減小而降低。此處用于數據擬合的霍爾-佩奇關系是 σ y = 0.267 GPa + 6.233 GPa·nm –1/2 d （λ） –1/2 （ 39 , 55 ）。

圖 4 NT-Ni 的變形機制，λ = 2.9 nm。

（A）驗尸明場圖像，顯示樣品中的剪切帶和柱狀晶粒。插圖顯示了在~3% 塑性應變下單軸壓縮后支柱的形態。（B）來自（A）中框 R1 的更高放大倍數的 TEM 圖像，顯示變形區域中保留的納米孿晶結構。（ C ）一個典型的 HRTEM 圖像和（ D ）其相應的 GPA 應變圖（面內剛體旋轉，ω xy）在變形區域，顯示部分位錯向雙平面傾斜的方向滑動，留下一個堆垛錯誤。

在結束之前，我們注意到觀察到的連續強化可以進一步擴展到 1.9 nm 的孿晶厚度。這種更細的孿晶厚度是通過在 Ni 中微合金化 Mo 實現的，這會略微降低 SFE 并促進納米孿晶的形成。在這種 Mo 微合金化 NT-Ni [1.3 原子百分比（at %） Mo; 見圖。S11] λ = 1.9 nm 時，其 σ y（在正常負載條件下）為 4.4 GPa（圖 S12），比 NT-2.9 試樣高 0.4 GPa，并且也位于外推的 Hall-Petch 線上（圖3）。我們的 Mo 微合金化 NT-Ni 的強度比 NT-Ni 83.6 Mo 14 W 2.4膜的強度高 1.0 GPa，具有幾乎相同的 λ （1.8 nm）。結果（將強化擴展到 1.9 nm 的孿晶厚度）表明，在埃級孿晶厚度下可以實現更高的強度，甚至達到理想的理論極限。

圖 5 變形 NT-2.9 樣品中二次納米孿晶的形成。

（A）來自圖 4A中框 R2 的 HRTEM 圖像顯示二次納米孿晶（用黃色箭頭標記）穿過變形過程中在 NT-Ni 柱狀晶粒內部形成的初始 TB。（B和C）來自（ A ）中框 B 和 C 的更高放大率的 HRTEM 圖像，分別顯示了次級納米孿晶的成核和終止。（ D ） HRTEM 圖像（C）的相應 GPA 應變圖（平面內剛體旋轉，ω xy）。

總之，作者通過直流電沉積獲得的具有極細孿晶厚度的 NT-Ni 的強度為 4.0 GPa，高于已知的純 Ni。這種強度源自延伸至最細孿晶厚度（2.9 nm）的持續強化。持續強化行為源于TBs的優異穩定性及其對位錯成核和運動的有效屏障，再加上二次納米孿晶作為進一步阻礙位錯運動的新障礙。本研究不僅為在高 SFE 金屬中合成具有極細孿晶厚度的 NT 結構提供了機會，而且還闡明了霍爾-佩奇強化可以通過納米結構金屬中的結構構建擴展到極細的結構尺寸。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。