中科院金属所：纳米金属强度或可大幅度调控

通过控制晶界的稳定性，相同晶粒尺寸的纳米材料的硬度可以发生很大的变化，并且可以硬化或软化。中国科学院沈阳金属研究所26日表示，该所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢柯研究小组的研究成果已于3月24日发表在最新一期《科学》杂志上，为科学家提供了极大控制纳米金属强度的可能性。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室的卢柯认为，通过适当合金元素的晶界偏聚，可以提高晶界稳定性，从而大大调节纳米金属的强度。他们通过电解沉积制备了一系列晶粒尺寸在30纳米至3.4纳米之间的镍钼合金样品，发现当晶粒尺寸小于10纳米时，合金软化。通过适当温度下的退火处理，利用晶界弛豫和晶界上钼原子的偏析，材料的硬度得到明显提高，最高硬度可达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。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。

记者了解到，纳米金属硬度的不同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。相关研究得到了科技部国家重大科学研究计划和国家自然基金的支持。(资料来源:光明日报、毕玉才、冯琦)