现代工业越来越需要高纯金属，以更好地控制设备的材料特性和功能（如溅射靶、生物植入材料、高导电性金属等）。但高纯金属的加工和应用受到一个众所周知的问题限制：金属材料纯度越高，越容易在热和机械刺激下发生再结晶（或晶粒粗化）和塑性形变，表现出较差的热稳定性和强度。晶粒细化通常能够在不添加外来元素的前提下大幅提升金属强度，但由于高密度晶界的引入，结构热稳定性急剧降低。近期相关模拟和实验研究表明，通过适当机械或热处理，晶界结构可以被弛豫到具有较低过剩能量的状态，表现出更高稳定性和强度。该团队最近的研究表明，临界晶粒尺寸以下纳米金属在塑性变形过程中以不全位错活动为主导，不全位错与晶界的交互作用可以诱导发生晶界弛豫，显著提升纳米晶稳定性，同时获得高强度高稳定性。然而，金属纯度（杂质效应）对变形诱导晶界弛豫及弛豫晶界稳定性等会有什么样的影响仍未知。
近日，沈阳材料科学国家研究中心卢柯院士/李秀艳研究员团队在国际顶级期刊Materials Today上发表题为“Breaking thepurity-stability dilemma in pure Cu with grain boundary relaxation”的研究工作。
在这项工作中，该团队选择了99 wt.%-99.9999 wt.%（2N-6N）五种不同纯度的金属铜，利用表面机械碾磨制备了晶粒尺寸及梯度分布情况都接近的铜棒样品；并基于前期研究工作（纯铜中变形诱导晶界弛豫临界晶粒尺寸约为70 nm），在不同纯度铜棒样品中取平均晶粒尺寸约60 nm和100 nm的样品进行比较研究。实验发现100 nm晶粒随样品纯度增加，其热稳定性显著降低，与传统教科书上的理论一致（即杂质原子钉扎晶界，提高稳定性）；而60 nm晶粒随样品纯度增加，其热稳定性反常提升。通过实验观察结合分子动力力学模拟，该研究团队发现由于晶界处杂质原子的存在，晶界在变形过程中发射孪晶或层错变得更困难，从而阻碍了晶界结构弛豫过程；同时发现杂质原子的存在使得弛豫后的晶界能量相对于高纯度样品略微增加。因此，在纯度较低的样品中，晶界弛豫变得更加困难，弛豫效应降低，导致其热稳定性低于弛豫态高纯样品。众所周知，金属材料存在本征的性能“倒置关系”困境：金属纯度越高，硬度（强度）和热稳定性越低；纯金属强度越高，热稳定性越低。本工作中晶界弛豫态纳米晶铜样品纯度越高，强度和热稳定性同步提升。
图：左图为2N和6N铜纳米晶（nanograins，NG）和弛豫态纳米晶（relaxed nanograins，RNG）在典型温度退火后的晶粒图片对比；右图为本工作和文献中不同纯度铜样品热稳定性（晶粒粗化温度）和显微硬度分布关系图。
该工作表明晶界弛豫可有效打破纯铜中的纯度-稳定性困境，因为它逆转了一般情况下杂质对稳定性的影响。在弛豫态纳米晶纯铜样品中观察到的异常杂质对稳定性的影响拓展了对晶界内在性质及其与杂质的相互作用的理解。原则上，通过适当的热或机械处理，可以在各种金属中诱发晶界弛豫效应。此外，晶界弛豫显著提高高纯度金属的热稳定性和机械稳定性，极大地拓宽了优化高纯度金属性能和推进其加工技术的窗口。
