金属所Science子刊：突破现有认知！高层错能金属中实现超细高强纳米孪晶结构

金属材料的强化是长期以来材料领域的核心研究方向。细晶强化是目前最常用且有效的强化手段之一。然而，当晶粒尺寸（d）和孪晶片层厚度（λ）达到某个临界尺寸（10-15 nm）时，材料的主导变形机制将转变为晶界运动或退孪生，从而使其表现出Hall-Petch关系失效或软化效应，成为了材料强度提升的瓶颈问题。

近期，金属研究所沈阳材料科学国家研究中心段峰辉特别研究助理、李毅研究员、潘杰副研究员和与上海交通大学郭强教授合作，首次在高层错能金属Ni中实现了超细纳米孪晶结构的可控构筑，以及纳米孪晶Ni在10 nm片层厚度以下持续强化。这一结果突破了人们对纳米晶金属材料在极小结构尺寸下发生软化的现有认知，为发展超高强度/硬度金属材料提供了可行途径。相关研究成果以“Ultra strong nano twinned pure nickel with extremely fine twin thickness”为题发表在国际著名期刊Science Advances杂志上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabg5113

纳米孪晶结构普遍存在于低层错能金属材料中，而在高层错能金属Ni（γ_sf=128 mJ/m²）中引入高密度生长孪晶，特别是极小片层厚度的孪晶结构至今鲜有报道。研究人员采用直流电沉积技术，基于高沉积速率和镀层拉应力的协同作用，成功地在金属Ni中获得体积分数达100%的柱状纳米孪晶结构，当片层厚度为2.9 nm时，纳米孪晶Ni表现出超高的屈服强度（~4.0 GPa），约是目前报道的纳米晶Ni最高强度（~2.2 GPa）的2倍。微合金化的纳米孪晶NiMo合金片层厚度甚至能够达到1.9 nm以及更高的强度4.4 GPa.

纳米孪晶Ni的持续强化行为源于两个方面：软化机制被抑制，以及两种强化机制的启动。变形过程中，纳米孪晶Ni的孪晶界面表现出良好的稳定性，未发生明显的退孪生（软化机制）。这种良好的孪晶界面稳定性也源于两个方面：第一是在垂直于孪晶界加载使不全位错难以在孪晶界面上形核和滑动；第二是由于Ni具有较高层错能，致使不全位错在晶界的形核阻力较大，且不全位错倾向于束集成全位错，同样不利于退孪生的发生。软化机制的被抑制为纳米孪晶Ni的持续强化提供了先决条件。

研究人员在纳米孪晶Ni中发现了两种强化机制：强化模式I型位错和二次孪晶。变形后试样中，在孪晶界面之间存在大量柏氏矢量和滑移面都倾斜于孪晶界面的位错（强化模式I），表明传统的强化机制在极小尺寸下依然适用。此外，还出现了大量的二次孪晶，其在晶界形核并向柱状晶内部扩展。这些二次孪晶的形成对位错的运动具有强烈的阻碍作用，提供了额外的强化。另外，电沉积过程中高密度孪晶界的形成可能会诱发晶界弛豫，而且孪晶密度越高，弛豫程度可能越深。弛豫态晶界比非弛豫态晶界具有更好的机械稳定性，发射不全位错的临界应力也更大。晶界发射不全位错会导致晶界进一步弛豫，而且相比低层错能金属，在高层错能金属中晶界发射不全位错更难。因此，一旦在高层错金属的原始沉积态获到弛豫态晶界，进一步的弛豫，即晶界发射不全位错所需的临界应力很高。

该研究得到金属所，沈阳材料科学国家研究中心，中国科学院青年创新促进会和国家自然科学基金（优秀青年基金和面上项目）等项目资助。

图1 λ=2.9 nm的纳米孪晶Ni的微观结构。

图2 纳米孪晶Ni的持续强化行为。纳米孪晶Ni的强度随孪晶片层厚度的变化关系。

图3 λ=2.9 nm的纳米孪晶Ni变形后的微观结构。

图4 λ=2.9 nm的纳米孪晶Ni变形后变形区域观察到二次孪生