近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室研究員盧磊領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與研究員盧柯、丹麥Risf國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的黃曉旭博士合作，利用共格孿晶界獨(dú)特的穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)獲得了具有超細(xì)特征尺寸的納米結(jié)構(gòu)金屬，并發(fā)現(xiàn)減小孿晶片層厚度將增加材料的強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)表明，當(dāng)純金屬的特征尺寸降低至納米量級(jí)時(shí)，由于塑性變形機(jī)制的變化會(huì)導(dǎo)致極值強(qiáng)度的出現(xiàn)，同時(shí)表現(xiàn)出一般金屬材料所不具備的超高加工硬化效應(yīng)。2009年1月30日，美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志報(bào)道了此結(jié)果。評(píng)審人認(rèn)為，作者在利用納米孿晶強(qiáng)化材料本質(zhì)方面獲得了具有重大意義的發(fā)現(xiàn)，不但豐富和拓寬了人們對(duì)納米尺度材料塑性變形的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為進(jìn)一步發(fā)展高性能納米結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用提供了重要線索。
普通多晶體金屬材料的強(qiáng)度通常隨晶粒尺寸的減小而升高。這種晶粒細(xì)化強(qiáng)化源于更多晶界的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使塑性變形困難。但是，當(dāng)晶粒尺寸小至納米量級(jí)時(shí)，晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)將受到抑制，塑性變形的控制機(jī)制由晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)逐步轉(zhuǎn)化為晶界行為，從而使材料強(qiáng)度下降。因此，理論分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬均預(yù)測(cè)，當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸小至納米量級(jí)時(shí)，其強(qiáng)度將出現(xiàn)一極大值，隨晶粒尺寸進(jìn)一步減小會(huì)導(dǎo)致材料軟化。然而，迄今為止，這種極值強(qiáng)度在純金屬力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中尚未觀察到。其主要原因是制備超細(xì)晶粒尺寸（通常小于10納米）的納米材料非常困難：純金屬材料中晶粒具有很高的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力。通常，晶粒愈小，長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力愈大，晶粒很容易在室溫狀態(tài)或更低的溫度下就發(fā)生長(zhǎng)大。因此，如何制備出穩(wěn)定的超細(xì)特征尺寸的納米結(jié)構(gòu)材料并探索其本征變形機(jī)理，長(zhǎng)期以來是納米金屬材料領(lǐng)域一大難題。
盧磊及其合作者采用脈沖沉積技術(shù)，通過細(xì)致的工藝探索在純銅樣品中成功地將孿晶片層平均厚度減小到約4納米，并發(fā)現(xiàn)減小孿晶片層厚度材料的強(qiáng)度增加。當(dāng)孿晶片層厚度為15納米時(shí)，材料強(qiáng)度達(dá)到最大值。進(jìn)一步減小孿晶片層，強(qiáng)度反而減小、出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。隨孿晶片層減小，樣品的塑性和加工硬化能力單調(diào)增加。當(dāng)孿晶片層小于10納米時(shí)，其加工硬化系數(shù)超過了粗晶純銅的加工硬化系數(shù)，即銅及銅合金的加工硬化系數(shù)上限，表現(xiàn)出超高加工硬化能力。分析表明，納米孿晶銅中極值強(qiáng)度的出現(xiàn)，是由于隨孿晶片層尺寸減小塑性變形機(jī)制從位錯(cuò)孿晶界相互作用主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪\晶片層結(jié)構(gòu)中預(yù)存位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)所致。而超高加工硬化效應(yīng)則來源于納米孿晶片層中大量孿晶界可有效吸納高密度位錯(cuò)，其位錯(cuò)密度較一般多晶體中的飽和位錯(cuò)密度高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
塑性變形過程中，共格孿晶界可有效阻礙位錯(cuò)，具有和普通晶界相似的強(qiáng)化作用。同時(shí)，共格孿晶界又可作為位錯(cuò)的滑移面吸納大量位錯(cuò)，與普通晶界相比，孿晶界結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，其過剩能僅為普通晶界的十分之一。因此，納米孿晶結(jié)構(gòu)從能量上要比相同化學(xué)成分的納米晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定很多。這種穩(wěn)定的超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)的獲得不僅是傳統(tǒng)材料制備技術(shù)的突破，同時(shí)也為深入研究金屬材料力學(xué)行為的納米尺寸效應(yīng)提供了可能。
普通多晶體金屬材料的強(qiáng)度通常隨晶粒尺寸的減小而升高。這種晶粒細(xì)化強(qiáng)化源于更多晶界的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使塑性變形困難。但是，當(dāng)晶粒尺寸小至納米量級(jí)時(shí)，晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)將受到抑制，塑性變形的控制機(jī)制由晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)逐步轉(zhuǎn)化為晶界行為，從而使材料強(qiáng)度下降。因此，理論分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬均預(yù)測(cè)，當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸小至納米量級(jí)時(shí)，其強(qiáng)度將出現(xiàn)一極大值，隨晶粒尺寸進(jìn)一步減小會(huì)導(dǎo)致材料軟化。然而，迄今為止，這種極值強(qiáng)度在純金屬力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中尚未觀察到。其主要原因是制備超細(xì)晶粒尺寸（通常小于10納米）的納米材料非常困難：純金屬材料中晶粒具有很高的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力。通常，晶粒愈小，長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力愈大，晶粒很容易在室溫狀態(tài)或更低的溫度下就發(fā)生長(zhǎng)大。因此，如何制備出穩(wěn)定的超細(xì)特征尺寸的納米結(jié)構(gòu)材料并探索其本征變形機(jī)理，長(zhǎng)期以來是納米金屬材料領(lǐng)域一大難題。
盧磊及其合作者采用脈沖沉積技術(shù)，通過細(xì)致的工藝探索在純銅樣品中成功地將孿晶片層平均厚度減小到約4納米，并發(fā)現(xiàn)減小孿晶片層厚度材料的強(qiáng)度增加。當(dāng)孿晶片層厚度為15納米時(shí)，材料強(qiáng)度達(dá)到最大值。進(jìn)一步減小孿晶片層，強(qiáng)度反而減小、出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。隨孿晶片層減小，樣品的塑性和加工硬化能力單調(diào)增加。當(dāng)孿晶片層小于10納米時(shí)，其加工硬化系數(shù)超過了粗晶純銅的加工硬化系數(shù)，即銅及銅合金的加工硬化系數(shù)上限，表現(xiàn)出超高加工硬化能力。分析表明，納米孿晶銅中極值強(qiáng)度的出現(xiàn)，是由于隨孿晶片層尺寸減小塑性變形機(jī)制從位錯(cuò)孿晶界相互作用主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪\晶片層結(jié)構(gòu)中預(yù)存位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)所致。而超高加工硬化效應(yīng)則來源于納米孿晶片層中大量孿晶界可有效吸納高密度位錯(cuò)，其位錯(cuò)密度較一般多晶體中的飽和位錯(cuò)密度高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
塑性變形過程中，共格孿晶界可有效阻礙位錯(cuò)，具有和普通晶界相似的強(qiáng)化作用。同時(shí)，共格孿晶界又可作為位錯(cuò)的滑移面吸納大量位錯(cuò)，與普通晶界相比，孿晶界結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，其過剩能僅為普通晶界的十分之一。因此，納米孿晶結(jié)構(gòu)從能量上要比相同化學(xué)成分的納米晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定很多。這種穩(wěn)定的超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)的獲得不僅是傳統(tǒng)材料制備技術(shù)的突破，同時(shí)也為深入研究金屬材料力學(xué)行為的納米尺寸效應(yīng)提供了可能。
