一年12篇Nature&Science，這個傳統領域迎來了頂刊爆發

金屬材料的研究歷史十分悠久，在材料研究范圍內屬于傳統的研究方向。2020年，這個傳統的研究方向一共發表了12篇Nature&Science。這篇文章為大家匯總了金屬材料在2020年發表的12篇NS。

1.中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學A. L. Greer?Nature：改良的塊狀金屬玻璃的應變硬化和剪切帶抑制

應變硬化（隨塑性應變而增加的流變應力）是工程合金力學行為中最重要的現象，因為它可以確保流變離域，增強拉伸延展性并抑制災難性的機械故障。金屬玻璃（MGs）缺乏常規工程合金的結晶度，并且其某些性能（例如更高的屈服應力和彈性應變極限）相對于其晶體同類產品得到了極大改善。在所有結構材料中，MG都具有很高的斷裂韌性，并且具有最高的“損傷容限”（定義為屈服應力和斷裂韌性的乘積）。然而，由于它們顯示出應變軟化而不是應變硬化，因此在結構應用中使用MG受到了很大的限制。這會導致塑性流在剪切帶中的極端定位，并與張力的早期災難性破壞有關。盡管將MG再生（在較高的冷卻速率下將其能量提高至玻璃形成的典型值）會降低其屈服應力（這可能使應變硬化），但尚不清楚是否可以在散裝樣品中實現足夠的再生，同時保持其強度玻璃狀結構。

中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學A. L. Greer顯示了室溫下三軸壓縮下的塑性變形可以使大量的MG樣品恢復活力，從而能夠通過先前在金屬狀態下未曾觀察到的機制進行應變硬化。這種轉變的行為在正常的單軸（拉伸或壓縮）測試中抑制了大塊樣品的剪切帶，防止了災難性故障并導致更高的最終流動應力。再生的MG在室溫下穩定，并顯示出異常有效的應變硬化效果，大大增加了它們在結構應用中的潛在用途。

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Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2016-3

2.重慶大學黃曉旭和北京高壓科學研究中心陳斌Nature:超細晶粒金屬的高壓強化

金屬的強度隨著晶粒尺寸的減小而增加，這種關系在臨界晶粒尺寸約為10至15納米時會破裂。隨著晶粒尺寸的減小超過此點，變形的主要機理從位錯介導的過程切換到晶界滑動，從而導致材料軟化。在以前的一種方法中，通過松弛和鉬偏析穩定晶界被用于防止晶粒尺寸小于10納米的鎳鉬合金中的這種軟化作用。

重慶大學黃曉旭和北京高壓科學研究中心陳斌使用金剛石砧盒結合徑向X射線衍射對各種平均晶粒度的純鎳樣品的屈服應力和變形組織進行原位跟蹤。高壓實驗表明，晶粒尺寸從200納米降至3納米的樣品不斷增強，而晶粒尺寸小于20納米則增強（而不是減小）。文章在3納米顆粒大小的樣品中獲得了約4.2吉帕斯卡的屈服強度，是商業鎳材料的十倍。在此處研究的壓力范圍內，晶粒尺寸為3納米的鎳獲得的最大流應力為10.2吉帕斯卡。作者看到最小尺寸的金和鈀樣品中存在類似的壓縮強化模式。模擬和透射電子顯微鏡顯示，在3納米大小的鎳中觀察到的高強度是由強化機制的疊加引起的：部分和完全位錯硬化以及抑制晶界可塑性。這些見解有助于通過材料工程不斷尋求超強金屬。

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High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2036-z

3.德國馬普所Gerhard Dehm&Christian H. Liebscher和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Timofey Frolov:元素金屬中晶界相變的觀察

晶界（微晶之間的界面，GB）結構的理論由來已久，而GBs經歷相變的概念是50年前提出的。基本假設是，對于不同的GB方向，存在多個穩定和亞穩態。最近提出了術語“復雜化”來區分不同平衡熱力學性質的界面狀態。仿真提供了對界面相行為的深入了解，并表明GB躍遷可以在許多材料系統中發生。然而，直接實驗觀察和元素金屬中GBs的轉化動力學仍然存在問題。

德國馬普所Gerhard Dehm&Christian H. Liebscher和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Timofey Frolov展示了元素銅中對稱和不對稱[111]傾斜GBs的原子級GB相共存和轉換。原子分辨率成像揭示了在進化的GB結構中，在Σ19bGBs處兩個不同結構的共存。作者還使用分子動力學模擬來探索這些GB相的共存和轉化動力學。結果證明了GB相如何被動力學捕獲，從而實現了原子級的室溫觀察。這個工作為金屬GB相變的原子級原位研究鋪平了道路，以前通過對異常晶粒長大，非阿倫尼烏斯型擴散或液態金屬脆化的影響，以前只能間接檢測到這種情況。

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Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2082-6

4.埃因霍溫工業大學Erik P. A. M. Bakkers：六角形Ge和SiGe合金的直接帶隙發射

在通常的立方（菱形）晶格結構中的結晶硅在電子工業中占據了半個多世紀的歷史。但是，立方硅（Si），鍺（Ge）和SiGe合金都是不能有效發光的間接帶隙半導體。數十年來，實現硅技術中IV組材料有效發光的目標一直遙不可及。埃因霍溫工業大學Erik P. A. M. Bakkers展示了六角形Ge和SiGe合金的直接帶隙發光。作者測量了一個亞納秒，溫度不敏感的輻射復合壽命，并觀察到與直接帶隙III-V族半導體相似的發射率。此外，作者證明，通過控制六角形SiGe合金的成分，可以在保持直接帶隙的同時，在很寬的范圍內連續調節發射波長。實驗發現與從頭算理論非常吻合。六角形SiGe體現了一種理想的材料系統，該系統可以在單個芯片上結合電子和光電功能，從而為集成設備概念和信息處理技術開辟了道路。

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Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2150-y

5.美國加州大學伯克利分校Andrew M. Minor:短程有序及其對CrCoNi中熵合金的影響

傳統的金屬合金是元素的混合物，其中少數物種的原子如果低于其溶解度極限，則傾向于隨機分布；如果高于其溶解度，則傾向于形成第二相。多元原理合金的概念最近擴展了這種觀點，因為這些材料是金屬元素通常等原子混合物的單相固溶體。這類材料由于其增強的機械性能而引起了極大的興趣。它們通常被稱為三元體系中的中熵合金，而在四元或五元體系中被稱為高熵合金，因為它們具有高度的構象熵。但是，問題仍然是這些固溶體實際上有多隨機，在計算模擬中建議使用短程有影響，但在實驗中看不到。

美國加州大學伯克利分校Andrew M. Minor使用能量漂移的透射電子顯微鏡觀察到的CrCoNi中熵合金中短程有序結構特征。這樣數量級的增加會增加堆垛層錯能量和硬度。這些發現表明，可以通過熱機械加工來調整納米級的局部有序度，從而為調節中熵和高熵合金的機械性能提供了新途徑。

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Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2275-z

6.美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Saad A. Khairallah:控制金屬3D打印中相互依賴的中納秒級動力學和缺陷生成

最先進的金屬3D打印機有望徹底改變制造過程，但尚未達到最佳的操作可靠性。挑戰在于控制復雜的激光-粉末-熔池相互依賴性（相互依賴）動力學。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Saad A. Khairallah使用了高保真度模擬，再加上同步加速器實驗，以捕獲中納秒級的快速多瞬態動力學，并發現了新的由飛濺引起的缺陷形成機制，該機制取決于掃描策略以及激光遮蔽和驅逐之間的競爭。作者得出了穩定熔池動態并使缺陷最小化的標準，這將有助于提高構建可靠性。

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Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing

Science, 2020, 10.1126/science.aay7830

7.悉尼大學Julie M. Cairney&中信金屬路洪洲:觀察到氫在位錯，晶界和沉淀處的表現

高強度鋼的氫脆化是在可持續能源生產中使用這些鋼的障礙。氫脆涉及多長度尺度上的氫-缺陷相互作用。但是，測量氫原子精確位置的挑戰限制了對其的理解。熱脫附光譜法可以識別氫的保留或捕集，但是數據不能輕易地與不同微觀結構特征的相對貢獻聯系起來。悉尼大學Julie M. Cairney&中信金屬路洪洲使用了低溫傳輸原子探針層析成像技術來觀察鋼中特定微觀結構特征下的氫。在富含碳的位錯和晶界處直接觀察氫為脆化模型提供了驗證。在碳化鈮和周圍的鋼之間的非相干界面處觀察到的氫提供了直接證據，表明這些非相干邊界可以充當俘獲位點。該信息對于設計抗脆性鋼至關重要。

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Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates

Science, 2020, 10.1126/science.aaz0122

8.中科院金屬所盧柯和李秀艷:具有極細晶粒的多晶銅受約束的最小界面結構

金屬通常以多晶固體的形式存在，由于存在無序的晶界，它們在熱力學上是不穩定的。晶粒邊界傾向于通過加熱時的粗化來消除，或者當晶粒足夠小時通過轉變為亞穩態的非晶態來消除。通過實驗和分子動力學模擬，中科院金屬所盧柯和李秀艷發現了一種非常細粒度的多晶純銅的另一種亞穩態。在通過應變將晶粒尺寸減小到幾納米之后，多晶中的晶界演化為受孿晶邊界網絡約束的三維最小界面結構。這種所謂的Schwarz晶體的基礎的多晶結構即使在接近平衡熔點時也能抵抗晶粒粗化。多晶樣品還顯示出在理論值附近的強度。

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Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains

Science, 2020, 10.1126/science.abe1267

9.加州大學圣芭芭拉分校Daniel S. Gianola：難熔多主元素合金中的位錯通路的多樣性

耐火多原則元素合金（MPEA）是滿足侵蝕性結構應用需求的有前途的材料，但需要根本不同的途徑來適應這些合金的體心立方（bcc）變體中的塑性變形。加州大學圣芭芭拉分校Daniel S. Gianola顯示了bcc MPEA MoNbTi中均勻塑性變形性和強度的理想組合，這是由位錯必須通過的堅固原子環境實現的。作者對位錯運動和原子計算的觀察揭示了非螺絲字符位錯的意外優勢，以及眾多用于錯位滑行的滑移面。這種行為為解釋類似合金異常高溫強度的理論提供了依據。這個研究結果為合金設計策略提供了一種在缺陷識別方面的觀點，這些策略旨在針對能夠在整個溫度范圍內工作的材料進行設計。

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Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy

Science, 2020, 10.1126/science.aba3722

10.東北大學Toshihiro Omori:臨界應力溫度依賴性幾乎恒定的鐵基超彈性合金

形狀記憶合金變形后可恢復其原始形狀，從而使其可用于各種特殊應用。超彈性行為始于臨界應力，對于金屬形狀記憶合金，臨界應力會隨著溫度的升高而增加。溫度依賴性是一個常見特征，通常會限制在應用中使用金屬形狀記憶合金。東北大學Toshihiro Omori發現了可以優化臨界應力的鐵基超彈性合金系統。這種Fe-Mn-Al-Cr-Ni合金具有可控的溫度依賴性，取決于鉻含量，溫度依賴性從正變負。這種現象包括溫度不變的應力依賴性。對于一系列涉及較大溫度波動的外太空應用和其他應用，此行為非常理想。

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Iron-based superelastic alloys with near-constant critical stress temperature dependence

Science, 2020, 10.1126/science.abc1590

11.美國麻省理工學院Cemal Cem Tasan：頭發如何使鋼變形

用于鋒利邊緣或工具的鋼通常具有馬氏體顯微組織，高碳化物含量和各種涂層，以表現出高硬度和耐磨性。但是，在切割柔軟得多的材料（例如人的頭發，奶酪或土豆）時，它們實際上變得不可用。盡管這是日常觀察，但由于相互作用材料的結構復雜性以及它們共同變形的復雜邊界條件，人們對潛在的物理微觀機理了解甚少。為了消除這種復雜性，美國麻省理工學院Cemal Cem Tasan使用兩種微機械測試裝置進行了中斷測試和原位電子顯微鏡切割實驗。作者對這些發現進行了分析和數值研究，揭示了板條馬氏體結構的空間變化在導致明顯磨損之前導致II-III混合模式開裂現象起著關鍵作用。

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How hair deforms steel

Science, 2020, 10.1126/science.aba9490

12.香港城市大學劉錦川:具有納米級無序界面的超高強度和韌性超晶格合金

在高溫下具有高強度的合金對于包括航空航天在內的許多重要行業都至關重要。具有有序的超晶格結構的合金為此目的是有吸引力的，但是通常遭受延展性差和晶粒粗化的快速困擾。 香港城市大學劉錦川發現納米級無序界面可以有效地克服這些問題。界面無序是由多元素共偏析驅動的，該元素在相鄰的微米級超晶格晶粒之間形成了獨特的納米層。該納米層充當可持續的延展性來源，通過增強位錯活動性來防止脆性晶間骨折。這種超晶格材料具有1.6吉帕的超高強度，在環境溫度下的拉伸延展性為25％。同時，在高溫下實現了可忽略的晶粒粗化，并具有出色的抗軟化性。設計相似的納米層可以為進一步優化合金性能開辟道路。

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Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces

Science, 2020, 10.1126/science.abb6830

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