對金屬材料進行嚴重塑性變形可顯著細化其微觀組織，使晶粒細化至亞微米（0.1~1微米）尺度從而大幅度提高其強度。但進一步塑性變形時晶粒不再細化，材料微觀結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)態(tài)達到極限晶粒尺寸，形成三維等軸狀超細晶結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)晶界為大角晶界。出現(xiàn)這種極限晶粒尺寸的原因是位錯增殖主導(dǎo)的晶粒細化與晶界遷移主導(dǎo)的晶粒粗化相平衡，其實質(zhì)是超細晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨晶粒尺寸減小而降低所致。如何突破這一晶粒尺寸極限，進一步細化微觀組織，在繼續(xù)提高金屬材料強度的同時提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是當今納米金屬材料研究面臨的一個重大科學難題。
最近，金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室盧柯研究組在這一科學難題研究上取得重大突破，他們利用自行研發(fā)的新型塑性變形技術(shù)（表面機械碾磨處理）在金屬鎳表層成功突破了這一晶粒尺寸極限，獲得納米級厚度并具有小角晶界的層片結(jié)構(gòu)，同時發(fā)現(xiàn)這種納米層片結(jié)構(gòu)兼具超高硬度和熱穩(wěn)定性。這種新型超硬超高穩(wěn)定性金屬納米結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)金屬材料的強度-穩(wěn)定性倒置關(guān)系，為開發(fā)新一代高綜合性能納米金屬材料開辟了新途徑。
研究表明，塑性變形過程中提高變形速率和變形梯度可有效提高位錯增殖及儲存位錯密度，從而促進晶粒細化進程。為此，盧柯研究組利用表面機械碾磨處理在金屬純鎳棒表層實現(xiàn)了高速剪切塑性變形，這種塑性變形可在材料最表層同時獲得大應(yīng)變量、高應(yīng)變速率和高應(yīng)變梯度。隨著距表面深度增加，應(yīng)變量、應(yīng)變速率和應(yīng)變梯度呈梯度降低，形成呈梯度分布的微觀結(jié)構(gòu)。在距離表面10~50微米深度形成了具有小角晶界的納米層片結(jié)構(gòu)，層片平均厚度約為20nm，比純鎳中的變形晶粒尺寸極限小一個數(shù)量級，其硬度高達6.4GPa，遠遠超過其他變形方式細化的純鎳硬度。測量表明，納米層片結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)粗化溫度高達506 ，比同成分材料超細晶結(jié)構(gòu)晶粒粗化溫度高40 。納米尺度的層片厚度是超高硬度的本質(zhì)原因，而高熱穩(wěn)定性源于其中的平直小角晶界和強變形織構(gòu)。這種新型超硬超高穩(wěn)定性金屬納米結(jié)構(gòu)有望在工程材料中得到應(yīng)用以提供其耐磨性和疲勞性能。
該研究得到科技部國家重大科學研究計劃和國家自然基金資助。
該研究成果發(fā)表于10月18日出版的《Science》（《科學》）周刊。
圖1. 表面機械碾磨處理在金屬鎳中形成的超細晶結(jié)構(gòu)(A)和納米層片結(jié)構(gòu)（B，C）。（D）為鎳中不同微觀結(jié)構(gòu)的硬度與結(jié)構(gòu)粗化溫度關(guān)系，納米層片結(jié)構(gòu)（NL）兼具超高硬度和超高穩(wěn)定性。
