金屬材料在人類社會發(fā)展史中有著不可替代的作用和地位，是高新技術(shù)發(fā)展必不可少的支柱和基礎(chǔ)。近年來，航空航天、先進(jìn)裝備制造、新能源、深海技術(shù)以及先進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展對新一代高性能鋼鐵材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)金屬功能和結(jié)構(gòu)材料以及先進(jìn)金屬材料設(shè)計(jì)、制備加工和服役評價(jià)提出了迫切需求。

金屬材料的研究雖然說比較成熟，雖然大都是傳統(tǒng)研究方向，但沒有很多方向沒有攻克比如：理解多相高熵合金的固溶效應(yīng)，原位/操作實(shí)驗(yàn)表征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，在相同長度和時(shí)間尺度上進(jìn)行耦合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬研究等。進(jìn)入2020年，截至3月份已有6篇文章發(fā)表在Nature、Science上，金屬和合金領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究將繼續(xù)推動新科技革命和對材料行為的更深入理解，從而產(chǎn)生新的材料設(shè)備和系統(tǒng)。

在這里，筆者帶領(lǐng)大家領(lǐng)略一下什么樣的研究能發(fā)到Nature、Science上。

1 Nature：金屬玻璃的應(yīng)變硬化和剪切帶抑制

應(yīng)變硬化是工程合金力學(xué)行為中最重要的現(xiàn)象，因?yàn)樗ＷC了合金流動的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了災(zāi)難性的力學(xué)損商。金屬玻璃(MGs)缺乏工程合金的結(jié)晶度，而它們的一些特性如高屈服應(yīng)力和彈性應(yīng)變極限，相對于傳統(tǒng)合金有了很大的改善。MGs具有很高的斷裂韌性和已知的最高的“損傷容忍度”(為屈服應(yīng)力和斷裂韌性的乘積)。然而，由于MGs在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中表現(xiàn)為應(yīng)變軟化而不是應(yīng)變硬化，它的應(yīng)用很大程度上受到了限制，;這導(dǎo)致了塑性流動在剪切帶中的極端局部化，并與張力的早期拉伸受損有關(guān)。盡管MG以較高的冷卻速率將其能量提升到典型的玻璃形成，降低了其屈服應(yīng)力，這使應(yīng)變硬化成為可能，但目前尚不清楚是否可以在保持其玻璃狀結(jié)構(gòu)的同時(shí)在大塊樣品中實(shí)現(xiàn)。在此，中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學(xué)的A. L. Greer教授合作證明了在室溫下三向壓縮下的塑性形變可以使大塊的MG樣品迅速恢復(fù)活力，從而通過一種以前在金屬狀態(tài)下沒有觀察到的機(jī)制使應(yīng)變硬化，展現(xiàn)出足夠強(qiáng)的應(yīng)變強(qiáng)化能力，這種轉(zhuǎn)變的行為抑制了正常單軸(拉伸或壓縮)試驗(yàn)中大塊試樣的剪切帶的出現(xiàn)，阻止了力學(xué)損傷，并賦予MG更高的流動應(yīng)力。這種金屬玻璃在室溫下是穩(wěn)定的，并表現(xiàn)出特別優(yōu)異的應(yīng)變硬化，極大地增加了它們在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的潛在用途。相關(guān)研究以“Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass”為題目，發(fā)表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-020-2016-3

圖1 金屬玻璃態(tài)的誘導(dǎo)變化

2 Nature：金屬元素中晶界相變的觀察

晶界結(jié)構(gòu)理論有著悠久的歷史，基本的假設(shè)是不同的晶界取向存在多個(gè)穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)。這種概念早期被提出，用來區(qū)分在任何平衡熱力學(xué)性質(zhì)下的界面狀態(tài)。在兩種或兩種以上金屬組成的合金中，晶界相變已在實(shí)驗(yàn)中得到廣泛驗(yàn)證，并得到理論模型和計(jì)算模型的證明。然而，晶界相變在純金屬中的直接實(shí)驗(yàn)觀察和轉(zhuǎn)化動力學(xué)仍是一個(gè)未解之謎。在這里，德國馬普所的Thorsten Meiners教授等人演示了在元素銅[111]上對原子級晶界相共存以及轉(zhuǎn)變行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測。研究人員利用原子級分辨率成像揭示了晶界兩種不同結(jié)構(gòu)的共存狀態(tài)，并利用有限溫度分子動力學(xué)模擬工具研究探索了這些晶界相的共存和相變動力學(xué)機(jī)制。我們的結(jié)果演示了如何在動力學(xué)上捕獲晶界相變，從而實(shí)現(xiàn)原子尺度的室溫觀測。我們的工作為金屬晶界相變的原子尺度原位研究鋪平了道路，有利于進(jìn)一步研究晶界相變對異常晶粒長大及液態(tài)金屬脆化等現(xiàn)象。相關(guān)研究以“Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal ”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2082-6

圖2 晶界結(jié)構(gòu)的演變分析及晶界相預(yù)測結(jié)構(gòu)

3 Nature：超細(xì)晶金屬的高壓強(qiáng)化

金屬的強(qiáng)度會隨著顆粒尺寸的減小而增加。當(dāng)臨界顆粒尺寸為10到15 nm左右時(shí)，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，材料的強(qiáng)度不僅不提高，反而會下降。一般認(rèn)為這一軟化現(xiàn)象是由于納米材料中晶粒之間的界面的滑動主導(dǎo)了其塑性變形所致。然而，由于高質(zhì)量大尺寸納米晶材料制備的困難，很難準(zhǔn)確測量晶粒尺寸小于15nm的機(jī)械性能，所以對于晶粒尺寸更細(xì)的納米金屬而言，其強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的建立仍需要最直接和可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)研究工作中，重慶大學(xué)的黃曉旭教授團(tuán)隊(duì)與北京高壓科學(xué)研究中心的陳斌研究員團(tuán)隊(duì)等合作將高壓實(shí)驗(yàn)方法引入到了納米材料研究中，創(chuàng)造性地解決了納米材料強(qiáng)度表征的技術(shù)難題，首次報(bào)道了晶粒尺寸在10nm以下的納米純金屬的強(qiáng)化現(xiàn)象。通過對納米純金屬Ni進(jìn)行高壓變形研究，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度隨著晶粒尺寸減小持續(xù)提高，而且更為吃驚的是，晶粒尺寸越小其強(qiáng)化效果越顯著。在所研究的最小晶粒尺寸（3nm）樣品中，獲得了4.2 GPa的超高屈服強(qiáng)度，比常規(guī)商業(yè)純鎳強(qiáng)度提高了10倍。塑性計(jì)算模擬和透射電子顯微鏡分析表明，高壓變形抑制了納米材料中的晶界滑動，并促進(jìn)了起強(qiáng)化作用的晶體缺陷（位錯(cuò)）的儲存，從而導(dǎo)致高壓細(xì)晶強(qiáng)化。相關(guān)研究以“High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2036-z

圖3 納米晶粒鎳的晶粒強(qiáng)化

4 Nature：一種純凈鐵磁近藤晶格中的奇異金屬行為

當(dāng)調(diào)諧到量子臨界點(diǎn)(QCP)時(shí)，廣泛的金屬表現(xiàn)出反常的電和熱力學(xué)性質(zhì)，盡管這些奇怪金屬的起源構(gòu)成了一個(gè)長期的謎。奇異金屬與非常規(guī)超導(dǎo)性和反鐵磁QCPs之間的頻繁聯(lián)系，使人們相信它們是高度糾纏的量子態(tài)。相比之下，鐵磁體被認(rèn)為是一種不太可能用于陌生金屬的環(huán)境，因?yàn)樗鼈兊募m纏度很弱，而且它們的QCPs常常被相互競爭的相位或一階相位過渡所打斷。這里浙江大學(xué)袁輝球教授，Michael Smidman及英國倫敦大學(xué)Piers Coleman提供了純鐵磁的證據(jù)，在壓力誘導(dǎo)的QCP中，近藤晶格CeRh6Ge4變成了一種奇怪的金屬。壓力下的特殊熱阻和電阻率的測量表明，鐵磁躍遷被連續(xù)地抑制到零，從而揭示了QCP周圍的奇異金屬行為。研究認(rèn)為強(qiáng)磁各向異性在這一過程中起著關(guān)鍵作用，它以三聯(lián)體共振價(jià)鍵的形式將糾纏注入有序鐵磁體中。研究證明了局域矩與導(dǎo)電電子糾纏模式的奇異變換，從QCP上的三聯(lián)體共振價(jià)鍵到康多糾纏態(tài)單線態(tài)對，會導(dǎo)致費(fèi)米表面體積的跳躍，這是奇異金屬行為的關(guān)鍵驅(qū)動因素。研究結(jié)果為鐵磁量子臨界的研究開辟了一個(gè)方向，并為奇異峰現(xiàn)象建立了一個(gè)替代的環(huán)境。最重要的是，鐵磁體的奇異金屬行為

QCP表明，量子糾纏而不是反鐵磁的破壞是奇怪金屬各種行為的共同驅(qū)動因素。相關(guān)研究以“Strange-metal behaviour in a pure ferromagnetic Kondo lattice”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI:10.1038/s41586-020-2052-z

圖4 CeRh6Ge4中鐵磁性的壓力演化與QCP中的奇異金屬行為

5 Science：位錯(cuò)、晶界和沉淀相作為氫陷阱的觀測

高強(qiáng)鋼的氫脆是高強(qiáng)鋼在可持續(xù)能源生產(chǎn)中應(yīng)用的一個(gè)障礙。氫脆涉及多尺度的氫缺陷相互作用。然而，由于氫原子質(zhì)量小，容易遷移，采用常規(guī)技術(shù)手段難以確定氫在材料中的精確位置，從而限制了人們對氫脆現(xiàn)象的理解。熱解吸光譜可以識別氫的保留或捕獲，但數(shù)據(jù)不能很容易地與不同微觀結(jié)構(gòu)特征的相對貢獻(xiàn)聯(lián)系起來。悉尼大學(xué)的Julie M. Cairney教授和中信金屬公司的路洪洲博士用低溫轉(zhuǎn)移原子探針層析法觀察了鋼中氫的微觀結(jié)構(gòu)特征。直接觀察位錯(cuò)和晶界處的氫為脆化模型提供了驗(yàn)證。在NbC和基體鋼的非共格界面上觀察到的氫提供了直接證據(jù)，證明這些非共格界面可以作為俘獲點(diǎn)。這些信息對于設(shè)計(jì)抗脆化鋼是至關(guān)重要的。相關(guān)研究以“Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates”為題目，發(fā)表在Science上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1126/science.aaz0122

圖5 三維原子探針觀測到的晶界和位錯(cuò)處的氫

6 Science：定向附著通過形成和分解高能晶界而產(chǎn)生五重孿晶

當(dāng)兩個(gè)具有相同晶格平面的晶體通過一定的對稱作用而相互生長時(shí)，就會發(fā)生孿生現(xiàn)象。孿晶晶體是廣泛存在于各種材料中，包括金屬（Cu、Ag、Au）以及陶瓷。孿生會導(dǎo)致影響物理和化學(xué)性質(zhì)的各種結(jié)構(gòu)和形態(tài)。例如，五重孿晶（5-FTs）的應(yīng)力顯著增加了納米線的楊氏模量，而多晶銅納米線在還原二氧化碳時(shí)表現(xiàn)出良好的選擇性等。在此，在美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室李冬生教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院金屬研究所Gang Zhou 、密西根大學(xué)Ning Lu教授等人合作，結(jié)合高分辨原位透射電子顯微鏡與分子動力學(xué)模擬，證明通過重復(fù)定向附著~3 nm的金、鉑和鈀納米顆粒發(fā)生五重孿生。研究人員在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機(jī)制，這些機(jī)制由應(yīng)變的積累和消除驅(qū)動。研究結(jié)果為控制多種材料的孿生結(jié)構(gòu)和形態(tài)提供指導(dǎo)。相關(guān)研究以“Oriented attachment induces fivefold twins by forming and decomposing high-energy grain boundaries”為題目，發(fā)表在Science上。

文獻(xiàn)鏈接：

DOI: 10.1126/science.aax6511

圖6 通過機(jī)制1和2在Pd和Pt NP中形成5-FTs的實(shí)例