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精彩！2020年金屬材料領(lǐng)域，15篇《Nature》、《Science》！

2021-01-11 10:53:25 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

《Nature》、《Science》作為國際頂級期刊，發(fā)表在上面的論文通常具有廣泛的影響力和重要意義。我國近年來科研實力不斷增強，發(fā)表的NS論文也越來越多。

但是，在傳統(tǒng)金屬材料領(lǐng)域相關(guān)科研人員都深有體會，想要做出新的重大成果非常困難。從發(fā)表論文來說，Acta Materialia是傳統(tǒng)金屬材料的頂刊，想發(fā)在Nature、Science則十分困難。

為此，我們選取盤點了15篇2020年發(fā)表在NS上的重要成果，希望對大家有所啟發(fā)。點擊每篇的藍(lán)色標(biāo)題可查看相應(yīng)詳細(xì)介紹。

1、金屬所等發(fā)表《Science》！五重孿晶形成機理獲重要進展

中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部的周剛助理研究員（共同一作）、王皞副研究員與美國太平洋西北國家實驗室的Li Dongsheng教授（通訊作者）、宋淼博士（共同一作）以及密歇根大學(xué)的魯寧博士（共同一作）等人合作，采用高分辨原位透射電鏡和分子動力學(xué)模擬方法，在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機理。相關(guān)研究成果于2020年1月3日在Science發(fā)表。

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2、鋼鐵領(lǐng)域再發(fā)《Science》！氫脆原來是這么回事！

對氫陷阱的直接觀察將有助于開發(fā)出更耐氫脆的材料。為此，研究人員通過低溫轉(zhuǎn)移原子探針層析成像技術(shù)來觀察鋼中特定微觀結(jié)構(gòu)特征下的氫。結(jié)果表明，氫原子被釘扎在鋼中位錯、晶界、析出相等位置不同界面。在富碳的位錯和晶界處直接觀察到了氫，這為氫脆模型提供了實驗證據(jù)。在NbC析出相與鋼基體不相連的界面處也觀察到了氫。這直接證明了不相連的界面處可成為氫陷阱，這一發(fā)現(xiàn)對于設(shè)計抗脆性鋼具有重要重義。

3、鋼鐵再發(fā)《Science》！港大黃明欣等創(chuàng)強韌性組合世界紀(jì)錄的超級鋼

材料的強度和韌性往往不可兼得，尤其是屈服強度超過2 GPa時難度成倍增加。港大黃明欣等人首次提出高屈服強度誘發(fā)晶界分層開裂增韌的新機理，獲得了同時具備極高屈服強度，極佳韌性，良好延展性的低成本超級鋼，為發(fā)展高強高韌金屬材料提供了新的材料設(shè)計思路。這是黃明欣團隊2017年在《Science》發(fā)表創(chuàng)屈服強度-均勻延伸率世界紀(jì)錄的超級鋼之后，在鋼鐵領(lǐng)域取得的又一重大成果。

4、劉錦川院士《Science》：強度1.6GPa，伸長率25%的超強韌合金

在高溫下具有高強度的合金，對包括航空航天在內(nèi)的許多重要行業(yè)至關(guān)重要。具有有序超晶格結(jié)構(gòu)的合金在這方面很有吸引力，但通常韌性差，晶粒粗化快。香港城市大學(xué)的劉錦川院士團隊發(fā)現(xiàn)，納米級無序界面可以有效地克服以上問題。相關(guān)論文于07月24日發(fā)表在Science上。研究者成功合成了超晶格合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)，特別是多元素共分離誘發(fā)的界面無序，可以用來設(shè)計高強度的超晶或納米晶材料，具有增強的晶界穩(wěn)定性和相應(yīng)的抗粗化能力。

5、麻省理工：刮胡子刮出一篇《Science》！

盡管剃須刀刀片的硬度是毛發(fā)硬度的50倍，在長期使用后刀片也會變鈍。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為，刀片涂層的磨損變圓和脆裂是造成這一現(xiàn)象的原因。來自麻省理工學(xué)院的研究者們揭示了一種不同的機制：刀片變鈍是面外彎曲、微觀結(jié)構(gòu)不均勻性和粗糙的刀片邊緣（刀片邊緣的微觀缺口）共同作用的結(jié)果。如果三種因素疊加，還有可能產(chǎn)生斷裂。通過實驗分析和數(shù)值模擬揭示了這一現(xiàn)象的關(guān)鍵原因：板條馬氏體結(jié)構(gòu)的空間變化引起了II型、III型混合開裂，隨后產(chǎn)生了明顯的磨損。

6、最新《Science》：出乎意料的優(yōu)勢！從位錯角度揭示合金變形機理

難熔多主元合金（MPEAs）是一種很有前途的材料，可以滿足很多結(jié)構(gòu)應(yīng)用要求，但在這些合金的體心立方（bcc）變體中，需要從根本上不同的途徑來適應(yīng)塑性變形。研究者在bcc難熔多主元合金MoNbTi中展示了均勻塑性變形能力和強度的理想組合，這是由崎嶇的原子環(huán)境實現(xiàn)的，從位錯角度對變形進行了進一步闡釋。相關(guān)論文10月2日發(fā)表在Science上。本文揭示了非螺旋位錯以及眾多位錯滑移面出乎意料的優(yōu)勢，為解釋類似合金的異常高溫強度的理論提供了依據(jù)。為合金設(shè)計策略提供了一個位錯認(rèn)識視角，使材料能夠在不同的溫度范圍表現(xiàn)優(yōu)異。

7、清華今日《Science》：激光增材制造領(lǐng)域取得重要進展！

激光粉末床熔合（LPBF）是目前使用最廣泛的金屬增材制造工藝，正在顛覆改變著制造業(yè)，但孔隙率問題仍然是它的致命弱點。本文針對這一問題進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一種新的機制，理清了關(guān)于孔隙起源的一些問題。結(jié)果表明，小孔孔隙率在功率-速度空間的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉床之間變化不大。相關(guān)論文于2020年11月27日發(fā)表在Science上。

8、《Nature》4.2GPa超高屈服強度！納米晶金屬的高壓強化

重慶大學(xué)材料學(xué)院黃曉旭教授團隊與北京高壓科學(xué)研究中心陳斌研究員團隊等合作，在《Nature》上發(fā)表題為“超細(xì)晶金屬的高壓強化”的研究成果，研究人員首次將地球科學(xué)研究領(lǐng)域的高壓實驗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度表征的技術(shù)難題。首次報道了晶粒尺寸在10納米以下的納米純金屬的強化現(xiàn)象。將會進一步刷新人們對納米材料強化中臨界晶粒尺寸現(xiàn)象的認(rèn)識，重新激發(fā)通過調(diào)控材料的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)獲得超強金屬的探索。

9、金屬所《Nature》85年來加工硬化機理的重新認(rèn)識！

首次在塊體非晶態(tài)材料中實現(xiàn)加工硬化，顛覆了人們對非晶態(tài)材料形變軟化行為的固有認(rèn)識，為開發(fā)具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業(yè)應(yīng)用提供了新思路和方向。研究結(jié)果表明，塊體非晶合金的加工硬化卻是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少，是一個由高能態(tài)向低能態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。這與晶體材料的傳統(tǒng)加工硬化過程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化機制。此研究不僅是八十五年來對材料加工硬化機理的重新認(rèn)識，也為非晶態(tài)材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

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10、重要突破！《Nature》晶界相變，開辟材料設(shè)計新道路！

晶界會導(dǎo)致材料變脆容易產(chǎn)生破裂，但是某些晶界能夠阻礙位錯運動進而增強材料性能。晶界相變在純金屬中是否存在一直處于未知狀態(tài)，仍沒有研究直接觀察到純金屬中晶界的相變。本文研究了在超凈條件下沉積在藍(lán)寶石襯底上的銅薄膜中的晶界，直接觀察到純銅中的晶界相變，并發(fā)現(xiàn)了相似晶界中共存的兩種不同結(jié)構(gòu)，為材料設(shè)計開辟了新的道路，有利于進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。

11、北理工《Nature》突破傳統(tǒng)認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)剪切促進晶體生長！

基于傳統(tǒng)的結(jié)晶學(xué)理論，機械攪拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶體的生長。北京理工大學(xué)孫建科教授將其“剪切促進晶體生長”研究成果發(fā)表于《Nature》。該項研究突破了人們對傳統(tǒng)晶體生長機理的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)在聚離子液體存在的環(huán)境中，不斷的攪拌會讓晶體生長的更快、更大。為簡單、高效合成高質(zhì)量的單晶提供了新思路。

12、今日《Nature》重要突破！一種改善中高熵合金性能的新途徑

本文中研究人員通過實驗直接觀察到了短程有序結(jié)構(gòu)，這種獨特的結(jié)構(gòu)可以起到很好的強化效果，提高合金的層錯能和硬度。觀察了CrCoNi中熵合金中短程有序結(jié)構(gòu)特征，提供了化學(xué)短程有序（SRO）結(jié)果的定量可視化，研究了該SRO對MEA/HEA材料力學(xué)行為的直接影響，發(fā)現(xiàn)這種數(shù)量級的增加會引起更高的堆垛層錯能（SFE）和硬度。可以通過調(diào)整熱力工藝參數(shù)來改變納米級的局部有序度，從而為調(diào)節(jié)中熵合金和高熵合金的機械性能提供新途徑。

13、《Nature》重磅：接近A4紙大小！世界上最大的單晶金屬箔誕生

大型單晶金屬箔有巨大的潛在應(yīng)用，制備具有不同晶面指數(shù)的大型單晶金屬箔一直是材料科學(xué)的重點研究方向之一。在單晶金屬箔中，高指數(shù)晶面在原理上較完整，能夠獲得更豐富多樣的表面結(jié)構(gòu)和性能，但是控制并制備具有高指數(shù)晶面的單晶箔非常困難。本文創(chuàng)造性提出晶體表界面調(diào)控的“變異和遺傳”生長機制，在國際上首次實現(xiàn)種類最全、尺寸最大的高指數(shù)晶面單晶銅箔庫的制造，發(fā)現(xiàn)金屬箔中的應(yīng)變能和表面能是退火過程中異常晶粒生長的競爭性驅(qū)動力。

14、馬普所最新《Nature》：增材制造1.3GPa強度，10%延伸率的新型鋼材！

激光增材制造的部件經(jīng)歷了大量的循環(huán)再加熱，研究者可以利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制力學(xué)行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率。采用的原位沉淀強化和局部組織控制原理可廣泛應(yīng)用于沉淀硬化合金和不同添加劑的制造工藝，避免了耗時和昂貴的后處理時效熱處理，也提供了局部調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的可能性，這是傳統(tǒng)熱處理不可能做到的。

15、厲害！用銅發(fā)了篇《Nature》，簡單高效的新型防腐技術(shù)！

銅，由于其高導(dǎo)熱性和電導(dǎo)率、延展性和整體無毒性，在日常和工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，銅不容易形成穩(wěn)定的表面鈍化層以阻止其被空氣連續(xù)腐蝕。盡管研究者已經(jīng)努力開發(fā)了眾多材料作為阻氧劑的表面鈍化技術(shù)，但大規(guī)模應(yīng)用程度仍然有限。來自廈門大學(xué)和北京大學(xué)等單位的研究者報道了在甲酸鈉存在的情況下對銅進行溶劑熱改性，可以重建銅表面的晶體結(jié)構(gòu)并形成超薄的表面配位層，很好地提升了銅的耐腐蝕性。