近日，沈阳材料科学国家研究中心轻金属研究部黄晓旭教授团队与北京高压科学研究中心陈斌研究员团队等合作，在《Nature》上发表题为“High pressure strengthening in ultrafine-grained metals（超细晶金属的高压强化）”的研究成果。
一般情况下，金属材料强度遵循Hall-Pell关系，即金属晶粒越细小，其强度越高。然而过去二十年来大量研究结果表明，当纳米金属晶粒小于某个临界尺寸（约10到15纳米）时，进一步细化晶粒，其强度不再增加，反而下降，表现出反Hall-Pell关系。一般认为这一软化现象归因于位错主导的形变转变为晶界滑移的形变机制。然而，由于高质量大尺寸纳米晶材料制备的困难，很难准确测量晶粒尺寸小于15纳米材料的机械性能，因此对于晶粒尺寸更细的纳米金属的强度是否依然遵循反Hall-Peth关系，人们无法得知。
图1. 高压变形下不同晶粒尺寸纯镍样品的衍射图像、强度
在本研究工作中，研究人员首次将地球科学研究领域的高压实验方法引入到了纳米材料研究中，采用高压径向X射线衍射的方法测量纳米金属高压下的弹性及塑性形变，创造性地解决了纳米材料强度表征的技术难题，并首次报道了晶粒尺寸在10纳米以下的纳米纯金属的强化现象。系列径向高压X射线衍射测量表明压缩下的金属镍从200纳米到最小尺寸3纳米，其强度随着晶粒尺寸的减小呈现持续增加的现象，特别是晶粒尺寸从20纳米至3纳米的金属镍的强度增加尤为显著，并且在3纳米金属镍样品中获得了4.2 GPa的超高屈服强度，比常规商业纯镍强度提高了10倍。塑性计算模拟和透射电子显微镜分析表明，当晶粒尺寸小于20纳米以下时样品中出现了大量偏位错，有效抑制了高压下的晶界塑性形变，同时偏位错在晶粒内反应形成不可动的位错结构，从而可提高位错在晶粒内的储存能力，从而导致高压细晶强化。此外，研究团队在金属金和钯中也观测到了类似的强化现象。
图2. 不同晶粒尺寸（a,3nm; c, 20nm; d, 200nm）金属镍的高分辨透射电子显微镜图像
上述发现将会进一步刷新人们对纳米材料强化中临界晶粒尺寸现象的认识，重新激发通过调控材料的晶粒尺寸和微观结构获得超强金属的探索。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2036-z
