今日Science轉換新思路：用更簡單方法提高合金的可持續性

【引言】

在青銅時代早期（公元前約4000年），用錫和鉛合金化使銅硬化，這是最早記錄的通過調整成分來提高材料性能的例子之一。如今，從噴氣發動機到計算機芯片的許多高性能應用都使用合金，合金可能包含元素周期表中的幾乎所有元素。然而，增加合金材料中成分的種類使其生產和回收更加困難，并面臨著稀有或稀有來源元素資源枯竭的危險。合金化策略的可持續性是許多材料系統普遍存在的問題之一。大量的工作集中在減少合金化，特別是替代材料中有毒和稀有元素。合金化通過改變主元素的微觀結構來改變材料的性能。例如，鋼通常通過與鉻和鎳等元素合金化來增強。在這種情況下，合金化通過形成抵抗位錯滑移的結構來強化鋼，這一過程使鋼更容易彎曲，因為它允許金屬原子穿過構成材料的微晶（晶粒）的內部位置。合金化可以產生界面牢固的強相來阻擋位錯運動，可以產生具有內應力的固溶使位錯滑移更加緩慢，也可以產生兩種微觀結構。然而，通常通過處理材料以改變微晶之間的區域—晶界（GBs），可以在不改變材料的化學組成的情況下創建定制的微結構。由于GBs阻礙了位錯運動，因此減小微晶尺寸（晶粒細化）會使金屬和合金硬化。通過對工程材料中的組合應變移位，調整GBs的空間分布可以提高材料的力學性能和摩擦學性能。這些非合金化方法在高級材料中的廣泛應用受到可調性能的類型和范圍的限制。當晶粒尺寸下降到亞微米尺度以下時，金屬的晶粒細化強化就會停止，軟化就會發生。

【成果簡介】

今日，在中科院金屬研究所、蘭州理工大學李秀艷研究員和中科院金屬研究所盧柯研究員團隊（共同通訊作者）帶領下，研究發現，目前許多研究的重點是穩定納米晶粒，利用其抑制位錯成核的能力，提供一種不同于合金中位錯滑移阻力的強化機制。金屬中的納米結構可以通過創造低能界面（如孿晶界或小角度晶界）或通過適當的GBs偏析來實現動力學穩定，從而達到熱力學穩定。最近，一項實驗研究表明，晶粒在臨界尺寸（銅約為70?nm）以下的應變會觸發金屬中自發的GB弛豫。這個過程伴隨著GB能量的大幅降低。早期的一份報告顯示，隨著納米尺度的孿晶從石墨烯中釋放出來，沿著石墨烯的原子擴散明顯受到延遲。在熱活化和機械活化條件下，自發的GB弛豫可以顯著提高純金屬納米顆粒的穩定性。這些突破突出了通過純化提高材料性能的新機遇，其中通過在不同長度尺度上定制穩定的界面來實現具有較少合金化含量或甚至純元素的傳統或新材料的前所未有的性質。與傳統合金相比，由于采用了新的強化原理，且界面效應大大增強，使得純化材料具有更好的性能和性能。通過調整穩定界面的數量、結構和分布，可以極大地擴展材料的性能變化窗口。在固定了材料的化學成分或幾何形狀，調整材料的性能可以允許修改材料的局部性能（例如在表面層中）或產生按需特性的組件。當結構長度尺度向結晶度極限減小時，界面效應被放大。相關成果以題為“Improving sustainability with simpler alloys”發表在了Science上。

【圖文導讀】

圖1?純化合金元素提高性能

材料的性能通常是通過與其他元素的合金化來穩定晶粒間的界面來提高的。通過減少或不添加合金元素來調整穩定的界面，純材料實現了這一目標，從而提高了資源的可持續性。

文獻鏈接：Improving sustainability with simpler alloys（Science，2019，?DOI:10.1126/science.aaw9905）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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