金屬所在納米金屬中發現晶界穩定性控制的硬化軟化行為

　　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象通常歸因于納米金屬中大量晶界的遷移。

　　最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧柯研究組發現通過適當合金元素的晶界偏聚可以提高晶界穩定性，從而可以大幅度調控納米金屬的強度。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，發現當晶粒尺寸小于10納米時合金出現軟化行為。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。這一結果表明，晶粒尺寸相同的納米材料，其硬度可以通過調控晶界穩定性而大幅度地變化，既可硬化也可軟化。這一發現揭示了納米材料中軟化和硬化行為本質，澄清了過去三十多年來關于這一問題的爭論。同時表明在納米金屬中硬度不僅依賴于晶粒尺寸，也受控于晶界穩定性。晶界穩定性可成為納米材料中除晶粒尺寸之外的另一個性能調控維度。

　　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及南京理工大學的合作者利用原子探針技術和高分辨率電子顯微術發現，制備態納米Ni-Mo樣品中的軟化行為是由于機械驅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生了晶界弛豫及溶質原子的晶界偏析，降低了晶界能，提高了晶界的穩定性，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。由于位錯形核應力與晶粒尺寸的倒數成正比，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了由晶界穩定性控制的微觀變形機制轉變。這一發現為設計及制備具有如超高硬度等優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研究計劃和國家自然基金資助。該成果發表于3月24日出版的《科學》（Science）期刊。