面心立方（FCC）和密排六方（HCP）均为原子密排晶体结构，具有最高的原子密度。自然界中多种金属都以这两种结构之一稳定存在。面心立方金属的层错能代表FCC和HCP结构两者之间的自由能差。对一些低层错能的面心立方金属，在热、压力或塑性变形等外部作用下，可能发生FCC和HCP结构的相互转化。而镍或者铝等高层错能的纯金属，FCC为其稳定晶体结构，即使在高温、高压、严重塑性变形等条件下仍然难以发生晶体结构的转变。研究表明，镍从低温至熔点的温度范围内均为FCC晶体结构，而高压条件下即使高达200GPa也没有发生相转变。要使镍这一具有稳定FCC结构的金属发生结构转变，目前主要通过加入合金元素以降低层错能这种方法来实现。
最近，沈阳材料科学国家研究中心“万人计划”科学家工作室极限尺寸金属课题组卢柯研究员、李秀艳研究员、罗兆平副研究员等在这一问题上取得新的进展。他们利用表面机械研磨处理技术（SMGT），通过调整变形工艺将纯镍的晶粒尺寸细化至10nm以下。详细的结构研究发现，当晶粒尺寸细化到一定临界尺寸时，低温条件下的SMGT变形抑制了位错滑移及晶界迁移，此时发生了FCC-HCP的相转变，形成了FCC和HCP结构混合的纳米晶，且HCP结构具有优异的热稳定性。高分辨透射电镜表征表明，晶粒细化到一定尺寸后层错变为主要的变形方式。纳米晶镍中产生的宽度为几纳米的层错不仅增加了体系的能量，同时提供了FCC-HCP转变的有利形核位置，促进了极小尺寸HCP纳米晶镍的形成。
极小尺寸HCP纳米晶镍提供了一种新的结构，这一结构可能具有不同于FCC晶体结构的物理和化学特性。而塑性变形至极小晶粒尺寸时发生相转变的方法和机制有可能推广到其它类似金属和合金中，为调控材料的点阵结构及性能提供了一种新的途径。
该研究得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等的资助。相关部分结果发表在Scripta Materialia 上（https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.04.024）。
图1.密排六方结构（HCP）纳米晶镍的高分辨图像。
图2. （a）SGMT制备的极小尺寸纳米晶镍样品的X射线衍射；（b）HCP镍和FCC镍的晶格常数
