纳米金属稳定性研究取得重要进展

金属晶粒细化至纳米尺寸可以大幅度提高其强度和硬度，但是由于引入了大量的晶界，纳米金属材料的结构稳定性变低，晶粒长大倾向明显。在一些纳米金属，如纯铜中，纳米晶粒甚至在室温条件下即发生长大。这种固有的不稳定性一方面给纳米金属材料的制备带来困难，另一方面也限制了纳米金属的实际应用。

最近，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心、“万人计划”科学家工作室研究员卢柯、研究员李秀艳及其指导的中国科学技术大学材料学院研究生周鑫的研究发现，对于塑性变形制备的纳米晶，其显著不稳定只在一定的晶粒尺寸范围内发生，之后随着晶粒尺寸的降低，其稳定性不降反升。对于纯铜而言，尺寸为70nm的晶粒在413K退火30分钟即发生显著长大，远低于粗晶铜的再结晶温度。而低于70nm，随着晶粒尺寸的进一步减小，纳米晶的稳定性反有所上升，尺寸为30nm的晶粒，其显著长大温度甚至高达600K以上。研究发现，低于70nm晶粒稳定性升高来自于晶界能的自发降低。塑性变形过程中，70nm以下，晶界能自发由原来0.52J/m2降低至0.23-0.27J/m2，这一现象与在该尺寸下全位错不能弓出，晶界通过释放不全位错容纳变形有关。不全位错的释放改变了晶界的结构，使之向低能状态转变。

该研究还发现，纳米晶这一反常稳定不只在纯铜这样的中低层错能金属中发生，在高层错能纯镍中也同样存在。尺寸为15nm左右的纯镍晶粒显著长大温度为1173 K (~0.68Tm)，远高于粗晶镍的再结晶温度。

超高稳定性纳米晶的发现，不仅对于人们理解纳米晶的变形机制以及晶界在纳米尺寸下的行为非常重要，同时也展示了发展高温使用的纳米晶的可能性。

该研究得到科技部纳米科技重点专项和国家自然基金资助。该成果于5月4日在《科学》（Science）杂志在线发表。

　　图1 退火引起的梯度纳米结构纯铜的组织变化。(A) 制备态（左）以及不同温度退火30分钟后的样品横截面的SEM照片，虚线处为样品表面。（B）和（C）分别为距表面2mm处的样品退火前和433K退火30分钟后的TEM照片及电子衍射图。（D）和（E）为梯度样品433K退火和473K退火30分钟后的最表面组织EBSD图。（F）制备态、413K和453K退火30分钟后样品的平均晶粒尺寸及硬度随深度分布。

　　图2 晶粒粗化温度以及晶界能随晶粒尺寸变化关系图。ECAP: 等通道挤压, DPD: 动态塑性变形，HPT: 高压扭转, CR: 冷轧, IGC: 惰性气体冷凝。

　　图3（A）和（B）分别为梯度纳米纯Ni制备态及873K退火30分钟后的SEM照片。虚线处为样品表面。（C）、（D）、（E）分别为距离表面25mm处制备态和873K退火30分钟后的TEM照片及两者的晶粒尺寸分布图。（F）晶粒粗化温度随晶粒尺寸变化图。HPT: 高压扭转, ECAP:等通道挤压, SMGT:表面机械碾磨。