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重溫經(jīng)典《Science》：盧柯院士團隊納米金屬重要發(fā)現(xiàn)，澄清三十多年爭論！

2020-12-23 14:56:47 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

2017年3月24日，《Scicence》在線發(fā)表了盧柯院士作為通訊作者的一篇論文。研究發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)合金元素的晶界偏聚可以提高晶界穩(wěn)定性，從而可以大幅度調(diào)控納米金屬的強度。這一發(fā)現(xiàn)揭示了納米材料中軟化和硬化行為本質(zhì)，澄清了過去三十多年來關(guān)于這一問題的爭論。

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/355/6331/1292

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金屬材料的強度或硬度往往隨晶粒尺寸減小而增加，遵循基于位錯塞積變形機制的Hall-Petch關(guān)系，即強度的增加與晶粒尺寸的平方根成反比。而當(dāng)晶粒尺寸低于某臨界晶粒尺寸（通常為10-30納米）時，金屬的強度會偏離Hall-Petch關(guān)系，有些金屬的強度不再升高甚至下降，這種納米尺度下的軟化現(xiàn)象通常歸因于納米金屬中大量晶界的遷移。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室盧柯研究組發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)合金元素的晶界偏聚可以提高晶界穩(wěn)定性，從而可以大幅度調(diào)控納米金屬的強度。他們利用電解沉積方法制備出晶粒尺寸從30納米到3.4納米變化的一系列Ni-Mo合金樣品，發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶粒尺寸小于10納米時合金出現(xiàn)軟化行為。通過適當(dāng)溫度的退火處理，利用晶界弛豫以及Mo原子在晶界上的偏聚，使材料硬度明顯提高，最高可達11.35GPa。

圖1. 納米晶體Ni-Mo合金的軟化及硬化行為。制備態(tài)（空心）及退火態(tài)（實心）樣品的顯微硬度隨晶粒尺寸的變化

這一結(jié)果表明，晶粒尺寸相同的納米材料，其硬度可以通過調(diào)控晶界穩(wěn)定性而大幅度地變化，既可硬化也可軟化。這一發(fā)現(xiàn)揭示了納米材料中軟化和硬化行為本質(zhì)，澄清了過去三十多年來關(guān)于這一問題的爭論。同時表明在納米金屬中硬度不僅依賴于晶粒尺寸，也受控于晶界穩(wěn)定性。晶界穩(wěn)定性可成為納米材料中除晶粒尺寸之外的另一個性能調(diào)控維度。

納米金屬中的不同硬度變化源于不同的塑性變形機制。盧柯研究組與法國UNIROUEN及南京理工大學(xué)的合作者利用原子探針技術(shù)和高分辨率電子顯微術(shù)發(fā)現(xiàn)，制備態(tài)納米Ni-Mo樣品中的軟化行為是由于機械驅(qū)動的晶界遷移變形機制所致。而納米Ni-Mo樣品在退火過程中發(fā)生了晶界弛豫及溶質(zhì)原子的晶界偏析，降低了晶界能，提高了晶界的穩(wěn)定性，使晶界行為在外力作用下難以啟動，塑性變形通過拓展不全位錯的形核及運動來實現(xiàn)。由于位錯形核應(yīng)力與晶粒尺寸的倒數(shù)成正比，樣品硬度隨晶粒尺寸減小不降反升。極小晶粒尺寸納米金屬的硬化及軟化行為充分展現(xiàn)了由晶界穩(wěn)定性控制的微觀變形機制轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計及制備具有如超高硬度等優(yōu)異性能的新型納米金屬材料提供了新思路。該研究得到科技部國家重大科學(xué)研究計劃和國家自然基金資助。該成果發(fā)表于2017年3月24日出版的《Science》。

這一研究成果的通訊作者是38歲就當(dāng)選中國科學(xué)院院士的盧柯。作為改革開放后當(dāng)選年齡最小的院士，盧柯在科研領(lǐng)域可謂成果頗豐。僅在最頂尖的學(xué)術(shù)期刊Science和Nature上就發(fā)表10余篇論文，而且這些論文引用量驚人。以下是2017年之前發(fā)表的部分論文。

而在常人眼里，盧柯一直在“驚悚地成長”——16歲上大學(xué)，30歲當(dāng)博導(dǎo)，32歲擔(dān)任國家重點實驗室主任，36歲出任中科院金屬研究所所長，38歲當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，40歲當(dāng)選德國科學(xué)院院士，41歲成為美國《科學(xué)》雜志的首位中國評審編輯，48歲成為中國“萬人計劃”的首批杰出人才6位人選之一。盧柯的人生就像安了加速器，每一步都走得比同齡人更快更受矚目。

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