中國新一代高性能超硬納米金屬材料已開闢新途徑

據從中科院金屬研究所獲悉，瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室盧柯研究組在超硬納米金屬材料結構研究上取得重大突破，他們利用自行研發的新型塑性變形技術，在金屬鎳表層成功突破了這一晶粒尺寸極限，獲得納米級厚度並具有小角晶界的層片結構，同時發現這種納米層片結構兼具超高硬度和熱穩定性。這種納米結構突破了傳統金屬材料的強度—穩定性倒置關係，為開發新一代高綜合性能納米金屬材料開闢了新途徑。相關研究成果發表於10月18日出版的美國《科學》雜誌。

據介紹，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，材料微觀結構趨於穩態，達到極限晶粒尺寸，形成三維等軸狀超細晶結構，絕大多數晶界為大角晶界。

如何突破這一晶粒尺寸極限，進一步細化微觀組織，在繼續提高金屬材料強度的同時提高其結構穩定性，是當今納米金屬材料研究面臨的一個重大科學難題。

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變量、高應變速率和高應變梯度。隨著距表面深度增加，應變量、應變速率和應變梯度呈梯度降低，形成呈梯度分佈的微觀結構。

納米尺度的層片厚度是超高硬度的本質原因，而高熱穩定性源於其中的平直小角晶界和強變形織構。這種新型超硬超高穩定性金屬納米結構有望在工程材料中得到應用，以提供其耐磨性和疲勞性能。


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