科学家发现纳米孪晶铜的极值强度和超高加工硬化效应

1月30日，《科学》报道了中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢磊研究员领导的研究小组与卢柯研究员、丹麦Risφ国家实验室的黄晓旭博士合作研究的成果，他们利用共格孪晶界独特的稳定界面结构获得了具有超细特征尺寸的纳米结构金属，并发现减小孪晶片层厚度将增加材料的强度。这一发现表明当纯金属的特征尺寸降低至纳米量级时，由于塑性变形机制的变化会导致极值强度的出现，同时表现出一般金属材料所不具备的超高加工硬化效应。评审人认为作者在利用纳米孪晶强化材料本质方面获得了具有重大意义的发现，不但丰富和拓宽了人们对纳米尺度材料塑性变形的本质的认识，同时也为进一步发展高性能纳米结构材料及其应用提供了重要线索。

    普通多晶体金属材料的强度通常随晶粒尺寸的减小而升高。这种晶粒细化强化源于更多晶界阻碍了位错运动，从而使塑性变形困难。但是，当晶粒尺寸小至纳米量级时，晶格位错运动将受到抑制，塑性变形的控制机制由晶格位错运动逐步转化为晶界行为，从而使材料强度下降。因此，理论分析和分子动力学模拟均预测当金属材料的晶粒尺寸小至纳米量级时其强度将出现一极大值，随晶粒尺寸进一步减小会导致材料软化。然而迄今为止这种极值强度在纯金属力学性能实验中尚未观察到。其主要原因是制备超细晶粒尺寸（通常小于10纳米）的纳米材料非常困难：由于纯金属材料中晶粒具有很高的长大驱动力。通常晶粒愈小，长大驱动力愈大，晶粒很容易在室温状态或更低的温度下就发生长大。因此如何制备出稳定的超细特征尺寸的纳米结构材料并探索其本征变形机理长期以来是纳米金属材料领域一大难题。

    卢磊研究员及其合作者采用脉冲沉积技术通过细致的工艺探索在纯铜样品中成功地将孪晶片层平均厚度(λ)减小到约4 nm，并发现减小孪晶片层厚度材料的强度增加。当孪晶片层厚度为15nm时，材料强度达到最大值。进一步减小孪晶片层，强度反而减小、出现软化现象。随孪晶片层减小，样品的塑性和加工硬化能力单调增加。当孪晶片层小于10纳米时，其加工硬化系数超过了粗晶纯铜的加工硬化系数，即铜及铜合金的加工硬化系数上限，表现出超高加工硬化能力。分析表明纳米孪晶铜中极值强度的出现是由于随孪晶片层尺寸减小塑性变形机制从位错孪晶界相互作用主导转变为由孪晶片层结构中预存位错运动主导所致。而超高加工硬化效应则来源于纳米孪晶片层中大量孪晶界可有效吸纳高密度位错，其位错密度较一般多晶体中的饱和位错密度高1-2个数量级。

    塑性变形过程中共格孪晶界可有效阻碍位错，具有和普通晶界相似的强化作用。同时，共格孪晶界又可作为位错的滑移面吸纳大量位错，与普通晶界相比孪晶界结构更加稳定，其晶界过剩能仅为普通晶界的十分之一。因此，纳米孪晶结构从能量上要比相同化学成分的纳米晶体结构稳定很多。这种稳定的超细纳米孪晶结构的获得不仅是传统材料制备技术的突破，同时也为深入研究金属材料力学行为的纳米尺寸效应提供了可能。