超高強(qiáng)度金屬材料在航空航天、高速列車等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，如何使材料持續(xù)強(qiáng)化一直是材料研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。日前，浙江大學(xué)等在頂級國際期刊Nature上發(fā)表超高強(qiáng)度金屬工作的最新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過金剛石壓砧（diamond anvil cell）徑向X射線衍射技術(shù)，原位測量不同晶粒尺寸的純金屬鎳的屈服應(yīng)力和變形織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)：隨著晶粒尺寸從200nm減小至3nm，材料發(fā)生持續(xù)強(qiáng)化而未出現(xiàn)反Hall-Petch現(xiàn)象，超細(xì)晶鎳最大屈服強(qiáng)度達(dá)到4.2GPa。

圖1. 超細(xì)晶金屬鎳的高分辨TEM（HRTEM）與力學(xué)性能

超高強(qiáng)度金屬材料在航空航天、高速列車等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，如何使材料持續(xù)強(qiáng)化一直是材料研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。雖然晶粒細(xì)化是金屬材料強(qiáng)化的有效方法之一，但是晶粒尺寸存在一個(gè)臨界值（大小在10-20nm之間），隨著晶粒進(jìn)一步細(xì)化材料強(qiáng)度發(fā)生軟化，即強(qiáng)度和晶粒尺寸的反Hall-Petch關(guān)系。

在此次研究中，上海高壓科學(xué)研究中心的周曉玲博士和許家寧博士利用金剛石壓砧（diamond anvil cell）和徑向X射線衍射方法，測量在高壓環(huán)境中多種晶粒尺寸的純金屬鎳的偏應(yīng)力隨晶格應(yīng)變的變化關(guān)系、以及屈服應(yīng)力與晶粒尺寸的定量關(guān)系，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)超細(xì)金屬鎳（晶粒尺寸為3nm）的屈服強(qiáng)度達(dá)到4.2GPa，是常用金屬鎳的10倍，最大流應(yīng)力可以達(dá)到10.2GPa；重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的馮自強(qiáng)博士等通過掃描電鏡觀察到在3nm晶粒內(nèi)部存在的位錯(cuò)、層錯(cuò)和孿晶。

圖2. 激發(fā)晶界形變的臨界應(yīng)力、臨界晶粒尺寸與壓力之間的定量關(guān)系，以及基于修正Hall-Petch關(guān)系的屈服強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的預(yù)測。

金屬材料屈服強(qiáng)度的反Hall-Petch關(guān)系的產(chǎn)生主要來自于晶界相關(guān)的塑性形變，如晶界滑移、晶界擴(kuò)散以及晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等。由于金剛石壓砧提供了高壓極端環(huán)境，晶界形變將被抑制，隨著晶粒細(xì)化金屬鎳的塑性變形機(jī)制從全位錯(cuò)活動(dòng)向偏位錯(cuò)和全位錯(cuò)共同作用的變形行為轉(zhuǎn)變。當(dāng)晶粒尺寸小于臨界尺寸之后，晶界塑性行為的有效抑制使得材料內(nèi)部繼續(xù)產(chǎn)生位錯(cuò)（包括全位錯(cuò)和不全位錯(cuò)），使得超細(xì)晶金屬鎳進(jìn)一步得到強(qiáng)化。

基于這一變形機(jī)理，浙江大學(xué)航空航天學(xué)院副教授朱林利博士建立了考慮高壓作用的晶界塑性形變模型，預(yù)測了激發(fā)晶界形變的臨界應(yīng)力、臨界晶粒尺寸與壓力之間的定量關(guān)系，成功地驗(yàn)證了高壓抑制晶界形變的變形機(jī)制，解釋了高壓誘導(dǎo)超細(xì)晶金屬鎳強(qiáng)化的超高強(qiáng)度，并給出了同時(shí)考慮全位錯(cuò)和不全位錯(cuò)作用的修正Hall-Petch關(guān)系（如圖2所示）。

高壓誘導(dǎo)金屬強(qiáng)化機(jī)理的發(fā)現(xiàn)，極大拓展高強(qiáng)度金屬材料在極端環(huán)境下的應(yīng)用。尤其是金屬材料屈服強(qiáng)度的反Hall-Petch效應(yīng)在高壓環(huán)境下的消失，將使超細(xì)晶金屬在極端高壓環(huán)境中可以得到有效的應(yīng)用。

該項(xiàng)研究由浙江大學(xué)航空航天學(xué)院應(yīng)用力學(xué)研究所、浙江省軟體機(jī)器人與智能器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心的朱林利副教授作為主要合作者（共同第一作者），與上海高壓科學(xué)研究中心陳斌教授課題組、重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃曉旭教授課題組等國內(nèi)外科研院所合作發(fā)表。

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