納米金屬穩定性研究取得重要進展

　　金屬晶粒細化至納米尺寸可以大幅度提高其強度和硬度，但是由於引入了大量的晶界，納米金屬材料的結構穩定性變低，晶粒長大傾向明顯。在一些納米金屬，如純銅中，納米晶粒甚至在室溫條件下即發生長大。這種固有的不穩定性一方面給納米金屬材料的製備帶來困難，另一方面也限制了納米金屬的實際應用。

　　最近，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心、「萬人計劃」科學家工作室研究員盧柯、研究員李秀豔及其指導的中國科學技術大學材料學院研究生周鑫的研究發現，對於塑性變形製備的納米晶，其顯著不穩定只在一定的晶粒尺寸範圍內發生，之後隨著晶粒尺寸的降低，其穩定性不降反升。對於純銅而言，尺寸為70nm的晶粒在413K退火30分鐘即發生顯著長大，遠低於粗晶銅的再結晶溫度。而低於70nm，隨著晶粒尺寸的進一步減小，納米晶的穩定性反有所上升，尺寸為30nm的晶粒，其顯著長大溫度甚至高達600K以上。研究發現，低於70nm晶粒穩定性升高來自於晶界能的自發降低。塑性變形過程中，70nm以下，晶界能自發由原來0.52J/m²降低至0.23-0.27J/m²，這一現象與在該尺寸下全位錯不能弓出，晶界通過釋放不全位錯容納變形有關。不全位錯的釋放改變了晶界的結構，使之向低能狀態轉變。

　　該研究還發現，納米晶這一反常穩定不只在純銅這樣的中低層錯能金屬中發生，在高層錯能純鎳中也同樣存在。尺寸為15nm左右的純鎳晶粒顯著長大溫度為1173 K (~0.68Tm)，遠高於粗晶鎳的再結晶溫度。

　　超高穩定性納米晶的發現，不僅對於人們理解納米晶的變形機制以及晶界在納米尺寸下的行為非常重要，同時也展示了發展高溫使用的納米晶的可能性。

　　該研究得到科技部納米科技重點專項和國家自然基金資助。該成果於5月4日在《科學》（Science）雜誌在線發表。

　　論文連結

 

　　圖1 退火引起的梯度納米結構純銅的組織變化。(A) 製備態（左）以及不同溫度退火30分鐘後的樣品橫截面的SEM照片，虛線處為樣品表面。（B）和（C）分別為距表面2mm處的樣品退火前和433K退火30分鐘後的TEM照片及電子衍射圖。（D）和（E）為梯度樣品433K退火和473K退火30分鐘後的最表面組織EBSD圖。（F）製備態、413K和453K退火30分鐘後樣品的平均晶粒尺寸及硬度隨深度分布。

 

　　圖2 晶粒粗化溫度以及晶界能隨晶粒尺寸變化關係圖。ECAP: 等通道擠壓, DPD: 動態塑性變形，HPT: 高壓扭轉, CR: 冷軋, IGC: 惰性氣體冷凝。

 

　　圖3（A）和（B）分別為梯度納米純Ni製備態及873K退火30分鐘後的SEM照片。虛線處為樣品表面。（C）、（D）、（E）分別為距離表面25mm處製備態和873K退火30分鐘後的TEM照片及兩者的晶粒尺寸分布圖。（F）晶粒粗化溫度隨晶粒尺寸變化圖。HPT: 高壓扭轉, ECAP:等通道擠壓, SMGT:表面機械碾磨。

　　金屬晶粒細化至納米尺寸可以大幅度提高其強度和硬度，但是由於引入了大量的晶界，納米金屬材料的結構穩定性變低，晶粒長大傾向明顯。在一些納米金屬，如純銅中，納米晶粒甚至在室溫條件下即發生長大。這種固有的不穩定性一方面給納米金屬材料的製備帶來困難，另一方面也限制了納米金屬的實際應用。
　　最近，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心、「萬人計劃」科學家工作室研究員盧柯、研究員李秀豔及其指導的中國科學技術大學材料學院研究生周鑫的研究發現，對於塑性變形製備的納米晶，其顯著不穩定只在一定的晶粒尺寸範圍內發生，之後隨著晶粒尺寸的降低，其穩定性不降反升。對於純銅而言，尺寸為70nm的晶粒在413K退火30分鐘即發生顯著長大，遠低於粗晶銅的再結晶溫度。而低於70nm，隨著晶粒尺寸的進一步減小，納米晶的穩定性反有所上升，尺寸為30nm的晶粒，其顯著長大溫度甚至高達600K以上。研究發現，低於70nm晶粒穩定性升高來自於晶界能的自發降低。塑性變形過程中，70nm以下，晶界能自發由原來0.52J/m2降低至0.23-0.27J/m2，這一現象與在該尺寸下全位錯不能弓出，晶界通過釋放不全位錯容納變形有關。不全位錯的釋放改變了晶界的結構，使之向低能狀態轉變。
　　該研究還發現，納米晶這一反常穩定不只在純銅這樣的中低層錯能金屬中發生，在高層錯能純鎳中也同樣存在。尺寸為15nm左右的純鎳晶粒顯著長大溫度為1173 K (~0.68Tm)，遠高於粗晶鎳的再結晶溫度。
　　超高穩定性納米晶的發現，不僅對於人們理解納米晶的變形機制以及晶界在納米尺寸下的行為非常重要，同時也展示了發展高溫使用的納米晶的可能性。
　　該研究得到科技部納米科技重點專項和國家自然基金資助。該成果於5月4日在《科學》（Science）雜誌在線發表。
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　　圖1 退火引起的梯度納米結構純銅的組織變化。(A) 製備態（左）以及不同溫度退火30分鐘後的樣品橫截面的SEM照片，虛線處為樣品表面。（B）和（C）分別為距表面2mm處的樣品退火前和433K退火30分鐘後的TEM照片及電子衍射圖。（D）和（E）為梯度樣品433K退火和473K退火30分鐘後的最表面組織EBSD圖。（F）製備態、413K和453K退火30分鐘後樣品的平均晶粒尺寸及硬度隨深度分布。
 
　　圖2 晶粒粗化溫度以及晶界能隨晶粒尺寸變化關係圖。ECAP: 等通道擠壓, DPD: 動態塑性變形，HPT: 高壓扭轉, CR: 冷軋, IGC: 惰性氣體冷凝。
 
　　圖3（A）和（B）分別為梯度納米純Ni製備態及873K退火30分鐘後的SEM照片。虛線處為樣品表面。（C）、（D）、（E）分別為距離表面25mm處製備態和873K退火30分鐘後的TEM照片及兩者的晶粒尺寸分布圖。（F）晶粒粗化溫度隨晶粒尺寸變化圖。HPT: 高壓扭轉, ECAP:等通道擠壓, SMGT:表面機械碾磨。