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。

    最近，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)當晶粒尺寸小于10納米時合金出現(xiàn)軟化行為。通過適當溫度的退火處理，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。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3月24日出版的《科學(xué)》（Science）期刊。

    圖：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

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責任編輯：劉洋

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