金属所&上海交大Sci. Adv.:厚度可控的超强纳米孪晶制备

【引言】

Hall-Petch强化源于晶界或孪晶界（GBs或TBs）阻碍了位错运动，是一种经典且最有效的提高材料强度和硬度的方法。在此理论的基础上，材料可以极细的晶粒尺寸或孪晶厚度下达到理论强度。不幸的是，先前的研究表明，当晶粒尺寸或孪晶厚度低于某临界尺寸（通常约为10到15 nm）时，屈服强度要么保持不变，要么随着晶粒尺寸或孪晶厚度的减小而降低，这种现象被称为 Hall-Petch关系失效或软化。现有理论表明纳米晶(NG) 和纳米孪晶 (NT) 金属的软化机制不同；前者的软化是由GB活动，比如GB滑动或晶粒转动引起的，而后者是由软模式位错（肖克莱不全位错沿TB滑动）或退孪生引起的。抑制这些软化机制和实现低于临界尺寸的持续强化方面仍是一项巨大的挑战。将溶质原子偏析在GBs和TBs可以有效降低迁移驱动力，从而抑制GBs和TBs迁移，即抑制NG/NT 合金的软化效应。结果表明，即使晶粒尺寸或孪晶厚度低于10 nm，也能实现连续强化。然而，这种方法显而易见无法在纯金属中实现低于10nm的晶粒尺寸或孪晶厚度的连续强化。

近日，中国科学院金属研究所李毅研究员、潘杰副研究员、段峰辉特别研究助理（第一作者）和上海交通大学郭强教授（共同通讯作者）通过直流（DC）电沉积成功制造了孪晶片层厚度范围为2.9至81.0 nm的柱状NT-Ni，并实现了其持续强化性。同时，强化可以扩展到 2.9 nm的孪晶片层厚度，从而获得4.0 GPa的超高强度。透射电子显微镜(TEM)实现观察 表明，这种强化机制归因于超细片层间距TBs的优异稳定性，阻碍了退孪生并诱导了二次孪晶的形成，这些孪晶有效地阻碍了位错运动。相关研究成果以“Ultrastrong nanotwinned pure nickel with extremely fine twin thickness”为题发表在Science Advances上。

【图文导读】

图一、超细纳米孪晶Ni（NT-Ni）的典型微观结构

（a）平面和横截面明场TEM图像组成的NT-Ni三维结构；

（b，c）NT-2.9样品的TEM和HR TEM图像测量的晶粒尺寸及孪晶片层分布；

（d）NT-2.9样品的横截面TEM图像；

（e）沿[011]轴的HRTEM图像；

（f）NT-2.9样品中占主导的（111）方向的XRD图谱；

图二、NT-Ni的力学性能

图三、NT-Ni的持续强化

图四、NT-Ni的变形机理

（A）明场图像显示了样品剪切失效和柱状晶粒；

（B）放大TEM图像显示变形区域保留的纳米孪晶结构；

（C，D）典型的HRTEM图像和相应的GPA应变图。

图五、变形NT-2.9样品中的二次纳米孪晶形成

（A）图4A框R2中的HRTEM图像；

（B，C）放大HRTEM图像分别显示二次纳米纳米孪晶的形核和终止；

（D）相应的GPA应变图。

【小结】

综上所述，作者通过直流电沉积获得了具有极细孪晶片层厚度的NT-Ni，其强度高达4.0 GPa，远高于已知纯Ni的强度。这种强度源自延伸至最细孪晶片层厚度 (2.9 nm) 的持续强化。一方面，持续强化行为源于TBs优异稳定性及其对位错形核和运动的有效阻碍；另一方面，二次纳米孪晶作为进一步阻碍位错运动的新障碍。本研究不仅为在高层错能金属中合成具有极细孪晶片层厚度的NT结构提供了机会，而且阐明了Hall-Petch强化可以通过调控纳米结构金属的结构扩展到非常精细的结构尺寸，提供了一种新的超强和超硬材料的设计思路。

文献链接：“Ultrastrong nanotwinned pure nickel with extremely fine twin thickness”(Science Advances，2021，10.1126/sciadv.abg5113)

团队工作介绍：中国科学院金属研究所李毅研究员自2012年全职回国工作后专注于构筑材料方面的研究，主要研究不同尺度非均匀性的结构材料包括纳米孪晶、梯度材料、金属-金属砖砌结构和非晶合金系列金属材料。探究了梯度率对梯度金属材料的综合性能，包括强度、塑性等方面的影响，相关工作发表在Acta Materialia, 2018上。首次演示并分析了梯度纳米结构的断裂行为，相关工作发表在Materials Today, 2020以及Acta Materialia, 2020上；首次克服纳米金属材料极小结构尺寸下的软化现象，在高层错能镍中制备了极小孪晶片层结构从而实现了持续强化，强度高达粗晶镍的12倍(Science Advances，2021). 此外，李毅研究员团队通过加强非晶合金在原子-纳米尺度的非均匀性，首先开发出了最高能量状态的相当于冷速为10¹⁰ K/s的非晶合金（Nature Communications, 2018），在此基础上，首次在块体非晶态材料中实现加工硬化（Nature，2020），颠覆了人们对非晶态材料形变软化行为的固有认识。这些原创性成果对开发梯度纳米结构的工程材料具有重要的参考价值，可产生持久的影响力。此外，为开发具有塑性变形能力的非晶合金及其工业应用提供了新思路和方向。

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