*近，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心、“萬人計劃”科學(xué)家工作室盧柯院士、李秀艷研究員取得新進展。他們發(fā)現(xiàn)對于塑性變形制備的納米晶Cu、Ag、Ni樣品，準靜態(tài)拉伸變形時，隨著晶粒尺寸從亞微米減小至納米量級，晶界遷移先逐漸增強，而當(dāng)晶粒尺寸小于臨界值時，晶界遷移逐漸受到抑制，這一結(jié)果顛覆了傳統(tǒng)的認識，與其在納米晶熱穩(wěn)定性晶粒尺寸反常效應(yīng)的相關(guān)發(fā)現(xiàn)一致。對于Cu、Ag、Ni而言，實驗中臨界晶粒尺寸分別約為75、80、38nm。于3月29日Physical Review Letters（IF=8.839，一區(qū)TOP期刊）雜志在線發(fā)表。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.126101
納米金屬的晶界在機械變形作用下容易發(fā)生晶界遷移并伴隨晶粒長大，使得納米材料發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象在拉伸、壓縮、壓痕等變形條件下均有大量實驗和相關(guān)計算模擬結(jié)果的報道。機械驅(qū)動晶界遷移不僅破壞材料的性能，也給利用塑性變形法制備納米晶帶來巨大困難。
盡管目前對于機械驅(qū)動晶界遷移的根本機制還存在爭議，但相關(guān)模型和計算模擬均表明機械驅(qū)動晶界遷移伴隨著明顯的晶界區(qū)原子重組和位錯運動，這說明該過程與晶界狀態(tài)有密切關(guān)系。一般認為，力作用下的晶界遷移速率與晶界能、晶界的曲率、晶界上的有效臺階等相關(guān)。晶粒尺寸越小，晶界曲率越大，遷移速率加快。
圖(a) 純Cu相對晶粒尺寸變化率(△D/D0)隨初始平均晶粒尺寸(D0)變化關(guān)系，M-GBR和T-GBR分別表示機械誘導(dǎo)和熱處理誘導(dǎo)晶界馳豫效應(yīng)。(b)表面機械碾磨技術(shù)制備純Ag、Cu、Ni樣品相對晶粒尺寸變化率(△D/D0)隨初始平均晶粒尺寸(D0)變化關(guān)系。
金屬所這項研究表明,臨界尺寸以下納米晶在塑性變形過程中其晶界容易發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)晶界馳豫，而這種晶界馳豫抑制了晶界遷移行為，使得納米晶變形機制由晶界遷移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗诲e運動形成變形孿晶或?qū)渝e為主導(dǎo)，納米晶機械穩(wěn)定性增強。該研究還發(fā)現(xiàn)，采用合適退火工藝對Cu中臨界尺寸附近未發(fā)生機械馳豫的納米晶進行熱處理，使其晶界發(fā)生熱馳豫，同時保持晶粒尺寸基本穩(wěn)定，在后續(xù)進一步拉伸變形過程中其晶界遷移明顯受到抑制，晶粒表現(xiàn)出更高的機械穩(wěn)定性。
該發(fā)現(xiàn)說明與晶界偏聚效應(yīng)類似，晶粒尺寸相關(guān)的晶界馳豫效應(yīng)能明顯對機械驅(qū)動晶界遷移起到抑制作用，這為提高納米晶機械穩(wěn)定性提供了新的方法，同時也為發(fā)展納米晶制備工藝提供了重要參考。該研究得到科技部納米科技重點專項和國家自然基金資助。
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