金屬所&上海交大Sci. Adv.:厚度可控的超強納米孿晶制備

【引言】

Hall-Petch強化源于晶界或孿晶界（GBs或TBs）阻礙了位錯運動，是一種經典且最有效的提高材料強度和硬度的方法。在此理論的基礎上，材料可以極細的晶粒尺寸或孿晶厚度下達到理論強度。不幸的是，先前的研究表明，當晶粒尺寸或孿晶厚度低于某臨界尺寸（通常約為10到15 nm）時，屈服強度要么保持不變，要么隨著晶粒尺寸或孿晶厚度的減小而降低，這種現象被稱為 Hall-Petch關系失效或軟化。現有理論表明納米晶(NG) 和納米孿晶 (NT) 金屬的軟化機制不同；前者的軟化是由GB活動，比如GB滑動或晶粒轉動引起的，而后者是由軟模式位錯（肖克萊不全位錯沿TB滑動）或退孿生引起的。抑制這些軟化機制和實現低于臨界尺寸的持續強化方面仍是一項巨大的挑戰。將溶質原子偏析在GBs和TBs可以有效降低遷移驅動力，從而抑制GBs和TBs遷移，即抑制NG/NT 合金的軟化效應。結果表明，即使晶粒尺寸或孿晶厚度低于10?nm，也能實現連續強化。然而，這種方法顯而易見無法在純金屬中實現低于10nm的晶粒尺寸或孿晶厚度的連續強化。

近日，中國科學院金屬研究所李毅研究員、潘杰副研究員、段峰輝特別研究助理（第一作者）和上海交通大學郭強教授（共同通訊作者）通過直流（DC）電沉積成功制造了孿晶片層厚度范圍為2.9至81.0?nm的柱狀NT-Ni，并實現了其持續強化性。同時，強化可以擴展到 2.9?nm的孿晶片層厚度，從而獲得4.0 GPa的超高強度。透射電子顯微鏡(TEM)實現觀察 表明，這種強化機制歸因于超細片層間距TBs的優異穩定性，阻礙了退孿生并誘導了二次孿晶的形成，這些孿晶有效地阻礙了位錯運動。相關研究成果以“Ultrastrong nanotwinned pure nickel with extremely fine twin thickness”為題發表在Science Advances上。

【圖文導讀】

圖一、超細納米孿晶Ni（NT-Ni）的典型微觀結構

（a）平面和橫截面明場TEM圖像組成的NT-Ni三維結構；

（b，c）NT-2.9樣品的TEM和HR TEM圖像測量的晶粒尺寸及孿晶片層分布；

（d）NT-2.9樣品的橫截面TEM圖像；

（e）沿[011]軸的HRTEM圖像；

（f）NT-2.9樣品中占主導的（111）方向的XRD圖譜；

圖二、NT-Ni的力學性能

圖三、NT-Ni的持續強化

圖四、NT-Ni的變形機理

（A）明場圖像顯示了樣品剪切失效和柱狀晶粒；

（B）放大TEM圖像顯示變形區域保留的納米孿晶結構；

（C，D）典型的HRTEM圖像和相應的GPA應變圖。

圖五、變形NT-2.9樣品中的二次納米孿晶形成

（A）圖4A框R2中的HRTEM圖像；

（B，C）放大HRTEM圖像分別顯示二次納米納米孿晶的形核和終止；

（D）相應的GPA應變圖。

【小結】

綜上所述，作者通過直流電沉積獲得了具有極細孿晶片層厚度的NT-Ni，其強度高達4.0 GPa，遠高于已知純Ni的強度。這種強度源自延伸至最細孿晶片層厚度 (2.9 nm) 的持續強化。一方面，持續強化行為源于TBs優異穩定性及其對位錯形核和運動的有效阻礙；另一方面，二次納米孿晶作為進一步阻礙位錯運動的新障礙。本研究不僅為在高層錯能金屬中合成具有極細孿晶片層厚度的NT結構提供了機會，而且闡明了Hall-Petch強化可以通過調控納米結構金屬的結構擴展到非常精細的結構尺寸，提供了一種新的超強和超硬材料的設計思路。

文獻鏈接：“Ultrastrong nanotwinned pure nickel with extremely fine twin thickness”(Science Advances，2021，10.1126/sciadv.abg5113)

團隊工作介紹：中國科學院金屬研究所李毅研究員自2012年全職回國工作后專注于構筑材料方面的研究，主要研究不同尺度非均勻性的結構材料包括納米孿晶、梯度材料、金屬-金屬磚砌結構和非晶合金系列金屬材料。探究了梯度率對梯度金屬材料的綜合性能，包括強度、塑性等方面的影響，相關工作發表在Acta Materialia, 2018上。首次演示并分析了梯度納米結構的斷裂行為，相關工作發表在Materials Today, 2020以及Acta Materialia, 2020上；首次克服納米金屬材料極小結構尺寸下的軟化現象，在高層錯能鎳中制備了極小孿晶片層結構從而實現了持續強化，強度高達粗晶鎳的12倍(Science Advances，2021). 此外，李毅研究員團隊通過加強非晶合金在原子-納米尺度的非均勻性，首先開發出了最高能量狀態的相當于冷速為10¹⁰ K/s的非晶合金（Nature Communications,?2018），在此基礎上，首次在塊體非晶態材料中實現加工硬化（Nature，2020），顛覆了人們對非晶態材料形變軟化行為的固有認識。這些原創性成果對開發梯度納米結構的工程材料具有重要的參考價值，可產生持久的影響力。此外，為開發具有塑性變形能力的非晶合金及其工業應用提供了新思路和方向。

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