科学家揭示纳米材料软化和硬化行为本质

日前，中国科学院金属研究所沈阳国家(联合)材料科学实验室卢柯课题组发现，通过适当合金元素的晶界偏聚，可以提高晶界稳定性，从而大大控制纳米金属的强度。该研究由科技部国家重大科学研究计划和国家自然基金资助。这项成果发表在2017年3月24日出版的《科学》(Science)杂志上。

金属材料的强度或硬度随着晶粒尺寸的减小而增加，遵循基于位错塞变形机制的霍尔-佩特关系，即强度的增加与晶粒尺寸的平方根成反比。然而，当晶粒尺寸低于某一临界晶粒尺寸(通常为10-30纳米)时，金属的强度将偏离霍尔-佩特关系，某些金属的强度将不再增加甚至降低。这种纳米尺度的软化现象通常归因于纳米金属中大量晶界的迁移。

卢柯研究集团通过电解沉积制备了一系列晶粒尺寸在30纳米至3.4纳米的镍钼合金样品。发现当晶粒尺寸小于10纳米时，合金软化。通过在合适的温度下退火，它们利用晶界弛豫和晶界上钼原子的偏析来显著提高材料的硬度，达到最大值11.35GPa

结果表明，通过控制晶界的稳定性，可以使相同晶粒尺寸的纳米材料的硬度发生很大变化，晶界可以硬化或软化。这一发现揭示了纳米材料软化和硬化行为的本质，并澄清了过去30年来关于这一问题的争论。同时表明纳米金属的硬度不仅取决于晶粒尺寸，还受晶界稳定性的控制。除了纳米材料中的晶粒尺寸，晶界稳定性可以成为性能控制的另一个方面。

纳米金属不同的硬度变化源于不同的塑性变形机制。卢柯研究小组、法国UNIROUEN和南京工业大学的合作者已经发现，在制备的纳米镍-钼样品中的软化行为是由于使用原子探针技术和高分辨率电子显微镜的机械驱动晶界迁移和变形机制。然而，在退火过程中，纳米镍钼样品发生晶界弛豫和晶界溶质原子偏析，降低了晶界能，提高了晶界稳定性，使得晶界行为在外力作用下难以开始。塑性变形是通过扩展不完全位错的成核和运动来实现的。由于位错成核应力与晶粒尺寸的倒数成正比，所以样品的硬度不会随着晶粒尺寸的减小而减小，而是随着晶粒尺寸的减小而增大。极小晶粒纳米金属的硬化和软化行为充分体现了由晶界稳定性控制的微观变形机制的转变。这一发现为设计和制备具有超高硬度等优异性能的新型纳米金属材料提供了新的思路。