【引言】

    納米尺度金屬晶粒細化可以大大提高其強度和硬度。但引入的高密度晶界（GBs）為晶粒粗化提供了強大的驅動力同時也影響材料的性能。納米級金屬顆粒融化溫度隨顆粒直徑的減小而顯著下降。對于金屬中的納米尺寸晶粒，晶粒粗化開始的不穩定溫度顯著降低。固有的熱不穩定性是納米成形材料的“致命弱點”，阻礙了高溫下的技術應用和納米顆粒金屬的加工復雜化，以進一步改善結構和提高性能。通常采用合金化，降低納米晶的晶界能。合金化雖然在一定程度上有所增益，但是仍然難以避免金屬力學性能的降低。通過溶質偏析降低GB能量可能會降低粗化的熱力學驅動力，從而也會穩定納米晶粒。但是可能影響并惡化納米成形材料的機械，物理或化學性質。在沒有合金化的情況下，穩定純金屬中的納米顆粒結構在技術上是具有挑戰性的。

    【成果簡介】

    近日，中科院沈陽金屬研究所盧柯研究員和李秀艷研究員團隊（共同通訊作者）在science發表了題為“Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size”的文章。研究團隊使用純度為99.97％，表面為粗晶的不含氧的Cu棒，在液氮溫度下使用表面機械研磨處理（SMGT）以產生梯度納米表面層。形成平均尺寸為？40±2 nm和長徑比為1.7的隨機取向晶粒。TEM測量發現橫向晶粒尺寸隨著深度增加而逐漸增加，橫截面晶粒平均尺寸為70 nm左右；150 μm處，橫截面晶粒平均尺寸為200nm左右。觀察到變形的晶粒結構粘附在150-500μm深度跨度的無變形核心上。在純Cu或Ni中，GB向低能態的自發結構演變，導致納米晶粒顯著的熱穩定性，其表觀不穩定溫度甚至高于粗晶粒。研究表明：低溫下由塑性變形產生的純銅或鎳中的納米級晶粒在臨界晶粒尺寸以下顯示出顯著的熱穩定性。因為塑性變形中部分位錯的活化使納米晶粒之間形成低角度晶界，導致納米晶晶界自動從高能態演變到低能態，從而增強熱穩定性。

    【圖文導讀】

    圖1退火導致純Cu表面梯度納米結構的變化

    圖2 銅表面層中亞微米晶粒的退火誘導粗化

    圖3 Cu中不穩定溫度和GB能量的晶粒尺寸依賴性

    圖4退火誘導的結構在純Ni中梯度結構的變化

    文獻鏈接：Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size（Science，DOI: 10.1126/science.aar6941）

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責任編輯：王元

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