晶粒尺寸的案例
《Acta Materialia》薄膜晶粒尺寸與厚度的關系！
許多薄膜的特性與晶粒尺寸密切相關。膜硬度，電導率和膜應力演化等均與晶粒尺寸相關。厚度和晶粒尺寸經常放在一起討論，這種關系已在許多論文中得到證明。已經提出了幾種分析模型和模擬來描述觀察到的相關性。這些方法通常可以分為兩類。第一類基于厚度增加期間的過度生長的概念；第二類是基于薄膜生長期間的晶粒生長，晶粒的粗化通過晶界的運動產生，導致小晶粒的收縮和消除。盡管已有該方面的研究，但是各模型中晶粒尺寸和薄膜厚度的冪定律關系仍有問題，在薄膜厚度為300 nm時，晶粒尺寸隨溫度的變化而變化，增長指數相似還是顯著不同，不同模型的準確性如何提升仍不清晰。
比利時根特大學的研究人員對已發表數據進行匯總分析，結合對Al、Cu、CuO、CoCrCuFeNi、Ni90Cr10、TiN和V的薄膜測量，研究了晶粒尺寸對薄膜厚度的依賴性，證明了晶粒尺寸與薄膜厚度冪定律相關性。增長指數取決于同系溫度，同系溫度定義為所研究材料的沉積溫度與熔化溫度之間的比值。相關論文以題為“On the grain size-thickness correlation for thin films”發表在Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116896
本研究討論的薄膜是通過直流磁控濺射沉積的，膜厚度在10nm至1μm范圍內。對于除了V以外的所有材料，增長指數值約在0.35-0.45之間，表明沉積幾何形狀和沉積速率對增長指數影響不大。
基于肯德爾相關檢測，觀察到影響因子A與增長指數n之間存在明顯相關性，這種行為可能與以下要求有關，僅當薄膜變得連續時，才形成實際晶粒，從而為解釋冪定律行為的任何模型設定了邊界。
展開 基于開源軟件Neper建立梯度晶粒尺寸多晶模型
一、介紹
梯度材料因其結構的特殊性，不僅能夠有效避免尺寸突變引起的性能突變，還能使具有不同特征尺寸的結構相互協調，同時表現出特征尺寸所對應的多重作用機制，可以優化材料的整體性能和使役性能。本文介紹了一種梯度晶粒尺寸的多晶體模型的建立方法，需結合開源軟件Neper（https://neper.info/）使用。
二、建模方法與結果
根據需求生成對應的種子點坐標文件，提供給neper軟件，即可生成梯度模型。
晶體塑性每日文章推薦（十五）
用于分析FCC結構的晶粒尺寸效應，并以Cu為例進行分析，其研究表明，晶粒內部的初始位錯密度在晶粒尺寸效應中起主導作用，同時對于較大的初始位錯密度和晶粒尺寸大于40um的結構，流動應力與晶粒尺寸的平方根反比定律被打破。
作者的理論框架：
基于超彈性的本構框架建立的KM位錯密度模型
流動模型為：
其中硬化模型偽為：
位錯密度的演化遵循經典的KM模型：
L表示位錯的平均自由程：
為了考慮晶界效應，作者為位錯的平均自由程進行修改
Ks表示晶界處存儲系數。dg表示該滑移系統距離最臨近晶界的距離，對于FCC-Cu，ks根據位錯動力學模擬獲得約為5，其余參數如下
作者的案例模型：
相同位錯密度不同晶粒尺寸以及相同晶粒尺寸不同位錯密度的流動應力結果如下：
相同位錯密度不同晶粒尺寸的累計滑移云圖為：
相同位錯密度不同晶粒尺寸的位錯密度分布云圖：
相同位錯密度不同晶粒尺寸的等效應力分布云圖：
流動應力和晶粒尺寸關系云圖：
不同初始位錯密度下，晶粒尺寸與流動應力關系
可以看到，盡管作者只對KM模型進行了簡單的唯象修改，但很好的表現了晶界的應力，位錯密度集中現象以及對晶粒尺寸效應的影響，并且相關參數均來源于位錯動力學的模擬，具有真實的物理含義。
數值模擬結果表明，屈服應力受初始位錯密度的控制，與晶粒尺寸無關。然而，應變硬化率表現出對平均晶粒尺寸的強烈影響，這主要歸因于位錯在晶界處的儲存。
同時兩個主要因素決定了多晶晶界提供的強化：平均晶粒尺寸和初始位錯密度。其他微觀結構因素（晶粒尺寸分布的寬度、織構）在尺寸效應的大小中起著次要作用。
展開 盧柯等人納米金屬方面又一顛覆性發現！
他們發現對于塑性變形制備的納米晶Cu、Ag、Ni樣品，準靜態拉伸變形時，隨著晶粒尺寸從亞微米減小至納米量級，晶界遷移先逐漸增強，而當晶粒尺寸小于臨界值時，晶界遷移逐漸受到抑制，這一結果顛覆了傳統的認識，與其在納米晶熱穩定性晶粒尺寸反常效應的相關發現一致。對于Cu、Ag、Ni而言，實驗中臨界晶粒尺寸分別約為75、80、38nm。于3月29日Physical Review Letters（IF=8.839，一區TOP期刊）雜志在線發表。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.126101
納米金屬的晶界在機械變形作用下容易發生晶界遷移并伴隨晶粒長大，使得納米材料發生軟化，這種現象在拉伸、壓縮、壓痕等變形條件下均有大量實驗和相關計算模擬結果的報道。機械驅動晶界遷移不僅破壞材料的性能，也給利用塑性變形法制備納米晶帶來巨大困難。
盡管目前對于機械驅動晶界遷移的根本機制還存在爭議，但相關模型和計算模擬均表明機械驅動晶界遷移伴隨著明顯的晶界區原子重組和位錯運動，這說明該過程與晶界狀態有密切關系。一般認為，力作用下的晶界遷移速率與晶界能、晶界的曲率、晶界上的有效臺階等相關。晶粒尺寸越小，晶界曲率越大，遷移速率加快。
圖(a) 純Cu相對晶粒尺寸變化率()隨初始平均晶粒尺寸()變化關系，M-GBR和T-GBR分別表示機械誘導和熱處理誘導晶界馳豫效應。(b)表面機械碾磨技術制備純Ag、Cu、Ni樣品相對晶粒尺寸變化率()隨初始平均晶粒尺寸()變化關系。
展開 
看DEFORM在高溫合金微觀組織計算中的應用
細化晶粒是IN-625合金的強化機制，如下圖所示。細晶粒的鍛件相比粗晶粒鍛件具有更高的屈服和抗拉強度值。另外，在高溫下單個晶粒生長迅速，因此為了滿足機械性能要求，將使用較低的鍛造溫度。
隨著溫度的降低，IN-625合金變形需要的流動應力迅速增加。相反的，在較高溫度下鍛造高溫合金充滿模具型腔過程具有低的流動應力，需要鍛造載荷也較低。高溫鍛造減少了模具中的應力，從而增加了模具壽命。因此，從模具的角度來看，較高的鍛造溫度是優選的。
不幸的是，這些相互競爭的過程正朝著相反的方向發展。鍛造溫度越低，晶粒越細，強度性能越好。而較高的鍛造溫度又能提高模具壽命。
合金的鍛造過程是通過動態、亞動態和靜態再結晶來細化晶粒尺寸。沒有簡單的設計方法可以確保鍛件在不損壞模具的情況下滿足機械性能要求。
在DEFORM模擬中，JMAK模型提供了鍛件晶粒尺寸的實際估計。DEFORM模擬還允許借助模具應力分析來預測模具失效的可能性。因此，鍛造工程師可以研究折衷方案以成功地鍛造IN-625合金零件。
美國DF公司在生產一個IN-625合金的鍛件時，由于零件為了滿足強度要求，需要在低溫下鍛造，但在鍛打過程中存在嚴重的模具失效問題。模具應力分析計算后，發現了與幾次實際鍛造后發生的斷裂相符的過度拉伸應力（上圖紅色區域）。在PRO-FAST開發晶粒尺寸模型的項目中，波特蘭州立大學測試了IN-625，為晶粒尺寸模型提供數據。對典型的IN-625鍛件進行了溫度、應變速率和應變范圍的測試。這些試驗被用來建立再結晶和晶粒生長模型。
JMAK模型在DEFORM軟件鍛造模擬中可以運行，該模型在零件水平上預測平均晶粒尺寸和再結晶百分數。20多年來，IN-718在航天領域的應用已證明是一種實用的生產工程工具。
展開 梯度晶體塑性模型對應的umat子程序 ￥1200
文獻二的研究使用同樣Voronoi鑲嵌方法構建梯度納米晶結構，使用的本構模型如下：
流動方程：
硬化方程：
修正對應的參數為
邊界條件余文獻一一致
所不同的是作者關注了晶粒尺寸和初始取向對晶粒變形過程中旋轉的影響，作者分析認為，影響晶粒旋轉的更重要因素是晶體的初始取向而不是晶粒尺寸的大小
感興趣的小伙伴可以參考原始文獻，對原始的huang本構模型進行修改，實現類似的效果。并分析其他可能的影響，或者使用類似的研究思路，使用更加物理的本構模型如位錯密度模型等進行對比研究
進行簡單修改兩個模型實現類似的效果：
為構造典型梯度結構，使用了隨機尺寸的結構
文獻一模型效果：
晶粒尺寸分布：
不同晶粒的初始強度分布：
不同晶粒的飽和強度分布：
不同晶粒的變形過程累計剪切分布：
不同晶粒的變形過程應力分布：
另一個模型效果一致，修改方式參考原始文獻
展開 燕山大學Nature Communications: 超高強度、熱穩定、抗輻照納米晶鋼
圖1(c,d)電鏡照片(標尺200 nm)表明，制備態的納米晶鋼平均晶粒尺寸約45 nm。經1000 °C 退火1小時后，晶粒尺寸僅輕微長大到約60 nm。圖1(f,g)電鏡照片(標尺50 nm)表明，經600 °C下108 dpa劑量的金離子輻照后，粗晶奧氏體鋼高度腫脹，而納米晶奧氏體鋼既無腫脹，亦無顯著晶粒長大。
圖2
(a) 元素分布圖, (b) 原子探針、電子顯微鏡偶聯技術表征, (c) 不同尺度納米析出相的化學成分。
圖2給出了納米晶鋼的原子探針、電子顯微鏡偶聯技術表征。納米晶鋼中La、Si、O元素分布不均(圖2a)。 La、Si、O元素偏聚在納米晶鋼晶粒邊界(圖2b)。圖2c表明，在納米晶鋼晶粒邊界上有大量的、較大的納米析出相，在納米晶鋼晶粒內部有少量的、較小的納米析出相以及納米團簇。納米析出及納米團簇均富含La、Si、O元素。納米析出平均尺度約為5 nm，數量密度高達5 × 1023 m-3.
圖3
納米晶鋼晶粒尺寸分別為30 nm (a)、45 nm (b)、75 nm (c)時的穩態空位濃度分布，標尺50 nm。(d) 為晶粒尺寸對空位和間隙濃度變化的影響，(e)為納米析出與基體之間的共格程度對空位和間隙濃度變化的影響。模擬溫度500 °C，輻照劑量3.0 × 10?4 dpa s?1。
圖3為利用團簇動力學模擬納米晶鋼中晶粒尺寸和納米析出對輻照產生的空位及間隙濃度的影響。結果表明，(i) 晶粒尺寸越小，缺陷濃度越快達到穩態； (ii) 由于間隙比空位運動更快，因而更易被晶界及納米析出/基體相界面捕獲，平均間隙濃度遠低于平均空位濃度; (iii) 晶粒尺寸越小，平均空位及間隙濃度越低。
展開 晶體塑性每日文章推薦（五） ￥1200
wx_fmt=png"></p><p>所不同的是作者關注了晶粒尺寸和初始取向對晶粒變形過程中旋轉的影響，作者分析認為，影響晶粒旋轉的更重要因素是晶體的初始取向而不是晶粒尺寸的大小</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/KD5LibFzV223rhcEXhsyliaVDdWj4BpEXj9d3sNkGURF4fotgniaicgCQOnd04vx4LkMEK8OeqAriavr86xYVUicfTSA/640?wx_fmt=png"></p><p>感興趣的小伙伴可以參考原始文獻，對原始的huang本構模型進行修改，實現類似的效果。并分析其他可能的影響，或者使用類似的研究思路，使用更加物理的本構模型如位錯密度模型等進行對比研究</p><p><br></p><p>進行簡單修改兩個模型實現類似的效果：</p><p>為構造典型梯度結構，使用了隨機尺寸的結構</p><p>文獻一模型效果：</p><p>晶粒尺寸分布：</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/KD5LibFzV223rhcEXhsyliaVDdWj4BpEXjy8GxcBV26FibHjGc5RpLv1s8hmqmz8m2EsHVtbicoGMb39icGN1nxajew/640?
展開 解析DEFORM軟件中的元胞自動機法
形核后，晶粒長大主要是晶界的遷移過程，遷移速率可設置為常數、位錯角的函數、或溫度的函數等。
如果用戶需要使用新的元胞轉變規則模擬微觀組織變化，允許自定義二次開發，在DEFORM軟件界面下，綜合考慮變形和熱處理過程中的宏觀場變量，模擬晶粒的演化過程。
元胞自動機設置定義完成后直接點擊計算即可。模擬結果展示了整個加工工藝過程中當前位置點的晶粒、晶界、位錯密度的分布，以及晶粒大小、晶界角、結晶形狀長寬比的統計圖。
DEFORM中的CA法應用
下圖所示為鋁合金棒料的反向擠壓成形案例，棒料擠壓成形后，外緣紅色區域出現了粗大晶粒缺陷，通過DEFORM軟件模擬其成形和微觀組織演變過程，提前預測到缺陷，并分析粗大晶粒的產生的原因，后續可通過修改擠壓速度、金屬溫度等工藝參數優化工藝。
反擠壓工藝示意圖
使用CA法模擬計算得到結果如下所示，擠壓開始后發生動態再結晶，平均晶粒尺寸由于再結晶現象發生不斷變小，但擠壓完成后，從棒料外緣區域開始晶粒長大，出現了粗大晶粒。隨著前端棒料溫度的緩慢冷卻，晶粒不斷長大，擠壓完成后將會產生更多的粗大晶粒。
未擠壓區域平均晶粒尺寸約23.4μm
擠壓前端開始再結晶時平均晶粒尺寸5.2 μm
再結晶完成時平均晶粒尺寸4.9 μm
晶粒長大后平均晶粒尺寸20 μm
使用DEFORM軟件的JAMK模擬得到的結果如下，對比分析擠壓階段各個區域的平均晶粒尺寸分布和大小，結果一致。
展開 西南交大《IJP》：高熵合金溫度相關變形行為的本構建模和性能調控
圖2 不同溫度和晶粒尺寸下iHEA單拉變形行為的模擬和實驗值對比
圖3 不同溫度和晶粒尺寸下iHEA微結構演化的模擬和實驗值對比
最后，利用本構模型量化了各種強化機制在iHEA屈服應力中的占比（如圖4(a)），分析了不同溫度下孿晶和馬氏體形核應力的變化，對低溫下iHEA屈服應力變化和馬氏體相變增強等問題進行了討論。通過對比模擬量化了馬氏體相變對iHEA應變硬化的貢獻。在此基礎上，通過發展的本構模型和模擬手段，預測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強韌性分布（如圖4(b)），相關規律可為iHEA的工程服役和性能設計提供參考。
圖4 (a) 量化不同強化機制對iHEA屈服應力的貢獻；(b) 預測不同溫度和晶粒尺寸下iHEA的強度和韌性分布
該研究受到國家自然科學基金（No.11872321, 12192214, 11672251）、北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室開放課題（No. 2019-Z07）的資助。相關研究成果可為高性能合金不同服役環境溫度下的性能預測和調控提供理論工具。張旭教授“多尺度材料力學”研究組隸屬康國政教授“材料本構關系和疲勞斷裂”研究團隊，已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity、Acta Materialia等固體力學與金屬材料領域頂級期刊上發表多篇論文。
展開 MIT新發現: 熱穩定相變納米晶合金中的高溫誘發細晶現象
【引言】
晶粒生長在自然界無處不在，也是材料科學中最普遍的主題之一。在晶體材料中，晶粒生長起源于本征能量損耗，驅使材料消除晶界，得到熱力學占優的單晶相。晶粒生長的一大特點是其單一性，在特定溫度下隨時間增長，至于晶粒生長與時間和溫度相關性的細節迥異復雜。
【成果簡介】
近日，美國麻省理工學院的Dor Amram博士（通訊作者）在Physical Review Letters上發表了題為“Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy”的文章。晶態材料的晶粒通常會隨溫度增加而長大。典型的再結晶現象可能會導致暫時的晶粒尺寸減小，而近期合金設計可以使晶粒停滯生長的納米晶材料趨于熱力學穩定。但晶粒并未收縮，因此在高溫下，考慮到熱力學趨勢，會缺少降低晶粒尺寸從而使界面生成的機制。本文中，作者通過設計同素異形相轉變的納米晶合金，回避了界面生成這一范式。作者證明在Fe-Au合金經歷α? γ 轉變循環，高溫相具有穩定的比低溫相更細的晶粒。
【圖文導讀】
圖1：晶粒生長的示意圖。
圖2：納米晶穩定性分布圖。
圖3：Fe95Au5納米晶中的原位晶粒生長和相轉變。
(a)α-Fe和γ-Fe的晶粒尺寸隨時間的變化情況；
(b)帶有Au納米偏析物的α-Fe顯微結構及其轉變為γ-Fe的示意圖。
展開 
解析DEFORM軟件中的元胞自動機法
如果用戶需要使用新的元胞轉變規則模擬微觀組織變化，允許自定義二次開發，在DEFORM軟件界面下，綜合考慮變形和熱處理過程中的宏觀場變量，模擬晶粒的演化過程。
元胞自動機設置定義完成后直接點擊計算即可。模擬結果展示了整個加工工藝過程中當前位置點的晶粒、晶界、位錯密度的分布，以及晶粒大小、晶界角、結晶形狀長寬比的統計圖。
DEFORM中的CA法應用
下圖所示為鋁合金棒料的反向擠壓成形案例，棒料擠壓成形后，外緣紅色區域出現了粗大晶粒缺陷，通過DEFORM軟件模擬其成形和微觀組織演變過程，提前預測到缺陷，并分析粗大晶粒的產生的原因，后續可通過修改擠壓速度、金屬溫度等工藝參數優化工藝。
使用CA法模擬計算得到結果如下所示，擠壓開始后發生動態再結晶，平均晶粒尺寸由于再結晶現象發生不斷變小，但擠壓完成后，從棒料外緣區域開始晶粒長大，出現了粗大晶粒。隨著前端棒料溫度的緩慢冷卻，晶粒不斷長大，擠壓完成后將會產生更多的粗大晶粒。
▲ 未擠壓區域平均晶粒尺寸約23.4μm
▲ 擠壓前端開始再結晶時平均晶粒尺寸5.2 μm
▲ 再結晶完成時平均晶粒尺寸4.9 μm
▲ 晶粒長大后平均晶粒尺寸20 μm
使用DEFORM軟件的JAMK模擬得到的結果如下，對比分析擠壓階段各個區域的平均晶粒尺寸分布和大小，結果一致。
▲ JMAK法模擬結果
實際試生產后的，對棒料成形階段的各個斷面觀察，如下圖所示，金屬材料剛擠出型腔時無粗大晶粒，之后從邊緣位置開始晶粒長大產生粗大晶粒，遠離型腔端面后，由表面向里晶粒不斷長大，最終只有芯部保持了細小的晶粒。擠壓完成后的粗大晶粒占到了總體積的70%以上，與模擬結果一致。
展開 鋼材為什么斷裂？
限制作用隨硬化塊數量增加，珠光體對先共析晶粒尺寸的細化而增強。
鋼中有大量珠光體時，形變過程中會在低溫和/或高應變率時形成微型解理裂紋。雖然也有某些內部聚集組織斷面，但斷裂通道最初還是沿著解理面穿行。所以，在鐵素體片之間、相鄰聚集組織中的鐵素體晶粒內有某些擇優取向。
5. 貝氏體鋼斷裂
在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入0.05%鉬和硼可優化通常發生在700～850℃奧氏體-鐵素體轉變，且不影響其后在450℃和675℃時奧氏體-貝氏體轉變的動力學條件。
在大約525～675℃之間形成的貝氏體，通常稱為“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的稱為“下貝氏體”。兩種組織均由針狀鐵素體和分散的碳化物組成。當轉變溫度從675℃降至450℃時，未回火貝氏體的抗拉強度會從585MPa升高至1170MPa。
因為轉變溫度由合金元素含量決定，并間接影響屈服和抗拉強度。這些鋼獲得的高強度是以下兩種作用的結果：
1）當轉變溫度降低時，貝氏體鐵素體片尺寸不斷細化。
2）在下貝氏體內精細的碳化物不斷分散。這些鋼的斷口特征在很大程度上取決于抗拉強度和轉變溫度。
有兩種作用要注意：第一，一定的抗拉強度級別，回火下貝氏體的夏比沖擊性能遠遠優于未回火的上貝氏體。原因是在上貝氏體中，球光體內的解理小平面切割了若干貝氏體晶粒，決定斷裂的主要尺寸是奧氏體晶粒尺寸。
在下貝氏體中，針狀鐵素體內的解理面未排成一直線，因此決定準解理斷裂面是否斷裂的主要特征是針狀鐵素體晶粒尺寸。因為這里的針狀鐵素體晶粒尺寸僅為上貝氏體中的奧氏體晶粒尺寸的1/2。所以，在同一強度級別，下貝氏體轉變溫度比上貝氏體低許多。
展開 擠壓溫度對TA2大口徑管材組織與性能的影響
由圖3(a)可知，擠壓溫度為850℃時，大口徑管材組織類型為等軸組織，晶粒分布較為均勻，平均晶粒尺寸為35～55μm。由圖3(b)可知，擠壓溫度為870℃時，大口徑管材組織類型仍為等軸組織，部分晶粒形貌呈現橢圓形或長條形，平均晶粒尺寸為60～80μm，由于擠壓變形大，成形過程中產生大量的變形熱，金屬擠壓過程中荒管實際溫度接近TA2相轉變溫度，因此組織中有少量β組織存在。由圖3(c)可知，擠壓溫度為950℃時，變形溫度高于TA2相轉變溫度，β組織較為粗大，α相呈現扁平條狀和針狀，尺寸約150～250μm，組織為過熱組織。
圖3 不同擠壓溫度下管材組織
通過對比圖1和圖3(a)可知，當擠壓溫度低于TA2相轉變溫度時，擠壓變形能夠充分破碎晶粒，改善微觀組織，顯著減小晶粒尺寸。通過對比圖2和圖3(c)可知，當擠壓溫度高于TA2相轉變溫度時，在大變形條件下，晶粒得到了有效的破碎，但是變形過程中存在相的轉變和晶粒的動態再結晶長大，晶粒形貌發生了明顯的改變，但晶粒尺寸沒有明顯細化。
通過對比圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)可知，擠壓溫度對TA2大口徑管材晶粒和組織有著明顯影響：當擠壓溫度低于TA2相轉變溫度時，擠壓溫度越低，晶粒破碎越充分；當擠壓溫度高于TA2相轉變溫度時，擠壓過程能夠破碎晶粒，改變組織和形貌，但細化晶粒效果并不明顯。
擠壓溫度對管材力學性能的影響
退火態TA2大口徑管材頭部、中部和尾部的力學性能如表3所示。
表3 不同擠壓溫度下TA2大口徑管材力學性能
從表3可知，大口徑TA2管材室溫力學性能較好，均到達GB/T 26058-2010標準要求，管材頭部、中部和尾部基本保持在同一水平，具有較好的穩定性。
展開 盧柯最新Science：金屬納米晶晶粒尺寸越小于臨界尺寸，居然熱穩定性越高！！！
【引言】
納米尺度金屬晶粒細化可以大大提高其強度和硬度。但引入的高密度晶界（GBs）為晶粒粗化提供了強大的驅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定溫度顯著降低。固有的熱不穩定性是納米成形材料的“致命弱點”，阻礙了高溫下的技術應用和納米顆粒金屬的加工復雜化，以進一步改善結構和提高性能。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性能的降低。通過溶質偏析降低GB能量可能會降低粗化的熱力學驅動力，從而也會穩定納米晶粒。但是可能影響并惡化納米成形材料的機械，物理或化學性質。在沒有合金化的情況下，穩定純金屬中的納米顆粒結構在技術上是具有挑戰性的。
【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隊（共同通訊作者）在science發表了題為“Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size”的文章。研究團隊使用純度為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械研磨處理（SMGT）以產生梯度納米表面層。形成平均尺寸為?40±2 nm和長徑比為1.7的隨機取向晶粒。TEM測量發現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構粘附在150-500μm深度跨度的無變形核心上。在純Cu或Ni中，GB向低能態的自發結構演變，導致納米晶粒顯著的熱穩定性，其表觀不穩定溫度甚至高于粗晶粒。研究表明：低溫下由塑性變形產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定性。
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