卢柯&李秀艳Nature Materials特辑: “玩转”金属缺陷！

一直以来，金属结构材料的发展主要依赖于材料的合金化，以期改善材料所需性能。合金化主要是通过改变材料的晶格电子和应变能态或者形成其他相来优化材料性能。例如，向铁中加入一定量的铬和镍元素，可在其表面形成一层保护层，显著提高其材料抗氧化和抗腐蚀性能。到目前为止，合金化法在提高材料性能方面已经在众多材料里面得到实现。

尽管合金化法可使众多材料获得优良性能，然而，大量金属元素的使用也带来了一系列的严重问题：

1、对依赖某些特定元素的高性能金属材料的可持续发展有不利影响，如对稀有元素或者资源枯竭元素的严重依赖性；

2、对拥有复杂合金成分的材料的回收再利用变得越来越困难，使其很少回收甚至是不可回收；

3、合金成分的增加提高了材料的制造成本，如贵金属元素。

晶体材料中存在各种各样的缺陷，如空位，位错，晶界和相界等，众所周知，有些缺陷状态也可以极大改变材料性能。如材料加工过程中由于位错和晶界的增加，可使材料获得加工硬化效应，提高其强度等。因此，能否通过人为改变材料中的某些缺陷的形式，数量和分布等，在不引入其他元素的条件下调控优化金属结构材料的性能呢？

近日，中科院金属所的卢柯院士和李秀艳研究员在Nature Materials上发表题目为“Playing with defects in metals”的最新特辑，论述了通过材料合金化优化金属结构材料性能方面存在的潜在问题，并提出通过缺陷工程替代合金化来调控金属材料的机械性能存在的优势，潜在可行性及可能存在的问题。

 缺陷工程的应用具有材料合金化法所不具有的许多优势：如对关键元素的依赖引起的可持续性发展问题，提高材料回收再利用率及使用成本等，另外，通过缺陷工程，可以在材料成型后调整性能，同时可以进一步对局部缺陷进行操纵，以定向地赋予特定的机械性能。

图1. 通过缺陷工程在金属材料中获得的一系列的不同类型钢的强度与延展性能相关性图

图1显示的是通过缺陷工程在金属材料中引入缺陷而获得的一系列的不同类型钢的强度与延展性能相关性图像。包括各向同性钢（IS），煅烧硬化钢（BH），碳 - 镁钢（CMn），高强低合金钢（HSLA），双相钢（DP），复相钢（CP），马氏体钢（MART）等。这些材料都处于两种极端结构的梯度中：无间隙粗晶（CG IF）和无间隙纳米层（NL IF）。图右上角图像为无间隙粗晶（CG IF）的典型扫描图，其质地软和延展性好， 图右下无间隙纳米层（NL IF）图像的典型扫描图，其硬度大但延展性差。

当然，到目前为止，缺陷工程在调控材料性能应用方面还存在一些潜在问题：主要体现在大量引入的缺陷稳定性问题，如在制造和服役过程中的加载和特殊环境（热作用等），缺陷可能会产生运动和交互作用，从而造成缺陷的消失和转化，进而降低或失去缺陷工程调控材料性能的实际作用。

可喜的是，随着相关科学技术的不断发展，使缺陷工程的实际应用提高了，主要表现在以下几个方面：

1、在稳定金属缺陷和在不同长度尺度操纵界面方面取得了重大进展，如发现的几种类型的低能界面，包括双边界和低角度边界，在纳米尺度上对热和机械作用表现出相当高的稳定性；

2、通过控制缺陷的分布和组织等，如设计具有从纳米到宏观尺寸范围梯度的界面，借助这种梯度方法，使具有固定化学成分的钢的机械性能可以在几个长度尺度上调整，获得跨越合金化等其他方法所拥有的的性能。

最后，虽然缺陷工程具有许多合金化所不具有的在调控金属材料性能方面的优势，并有望投入具体实际生产使用中，但离大规模实际工程应用还有一定距离。因此，一方面，需继续加大对缺陷的基础理论研究，尤其在缺陷稳定性和不同的尺度范围内的缺陷的操纵上研究取得进一步进展，另一方面，需不断在工业生产和服役过程中，不断摸索和调整。总之，缺陷工程将在未来调控材料性能方面大有可为，同时，将缺陷工程与合金化法等相结合在未来也具有巨大的发展潜力。

文献链接：Playing with defects in metals (Nature Materials, 2017, DOI:10.1038/nmat4929 )

本文由材料人金属组彭黄涛供稿，材料牛整理编辑。

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