【引言】

納米尺度金屬晶粒細(xì)化可以大大提高其強(qiáng)度和硬度。但引入的高密度晶界（GBs）為晶粒粗化提供了強(qiáng)大的驅(qū)動力同時也影響材料的性能。納米級金屬顆粒融化溫度隨顆粒直徑的減小而顯著下降。對于金屬中的納米尺寸晶粒，晶粒粗化開始的不穩(wěn)定溫度顯著降低。固有的熱不穩(wěn)定性是納米成形材料的“致命弱點(diǎn)”，阻礙了高溫下的技術(shù)應(yīng)用和納米顆粒金屬的加工復(fù)雜化，以進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)和提高性能。通常采用合金化，降低納米晶的晶界能。合金化雖然在一定程度上有所增益，但是仍然難以避免金屬力學(xué)性能的降低。通過溶質(zhì)偏析降低GB能量可能會降低粗化的熱力學(xué)驅(qū)動力，從而也會穩(wěn)定納米晶粒。但是可能影響并惡化納米成形材料的機(jī)械，物理或化學(xué)性質(zhì)。在沒有合金化的情況下，穩(wěn)定純金屬中的納米顆粒結(jié)構(gòu)在技術(shù)上是具有挑戰(zhàn)性的。

【成果簡介】

近日，中科院沈陽金屬研究所盧柯研究員和李秀艷研究員團(tuán)隊(duì)（共同通訊作者）在science發(fā)表了題為“Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size”的文章。研究團(tuán)隊(duì)使用純度為99.97％，表面為粗晶的不含氧的Cu棒，在液氮溫度下使用表面機(jī)械研磨處理（SMGT）以產(chǎn)生梯度納米表面層。形成平均尺寸為?40±2 nm和長徑比為1.7的隨機(jī)取向晶粒。TEM測量發(fā)現(xiàn)橫向晶粒尺寸隨著深度增加而逐漸增加，橫截面晶粒平均尺寸為70 nm左右；150 μm處，橫截面晶粒平均尺寸為200nm左右。觀察到變形的晶粒結(jié)構(gòu)粘附在150-500μm深度跨度的無變形核心上。在純Cu或Ni中，GB向低能態(tài)的自發(fā)結(jié)構(gòu)演變，導(dǎo)致納米晶粒顯著的熱穩(wěn)定性，其表觀不穩(wěn)定溫度甚至高于粗晶粒。研究表明：低溫下由塑性變形產(chǎn)生的純銅或鎳中的納米級晶粒在臨界晶粒尺寸以下顯示出顯著的熱穩(wěn)定性。因?yàn)樗苄宰冃沃胁糠治诲e的活化使納米晶粒之間形成低角度晶界，導(dǎo)致納米晶晶界自動從高能態(tài)演變到低能態(tài)，從而增強(qiáng)熱穩(wěn)定性。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1退火導(dǎo)致純Cu表面梯度納米結(jié)構(gòu)的變化

圖2 銅表面層中亞微米晶粒的退火誘導(dǎo)粗化

圖3 Cu中不穩(wěn)定溫度和GB能量的晶粒尺寸依賴性

圖4退火誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)在純Ni中梯度結(jié)構(gòu)的變化

文獻(xiàn)鏈接：Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size（Science，DOI: 10.1126/science.aar6941）