李秀艳&卢柯Sci. Adv.：纳米晶金属热稳定性新发现
2020-04-25 来源：Goal Science
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢柯院士和李秀丽研究员提出在加热过程中引入退火孪晶，利用晶界的“热弛豫”（thermally induced GB relaxation, T-GBR）来提高纳米晶的热稳定性，相关成果以“Rapid heating induced ultrahigh stability of nanograined copper”为题发表在期刊Science Advances。本研究面临的一个难题是：纳米晶铜的粗化温度（393-450 K）低于退火孪晶的形成温度（473-523 K），如何在纳米晶铜中引入退火孪晶是本研究的关键。考虑到晶界迁移是热激活过程，和加热速度直接相关。研究人员巧妙地设计实验，通过提高加热速度提高粗化温度，成功实现了在纳米晶铜中引入退火孪晶。相比于机械诱导晶界弛豫，晶界的“热弛豫”将晶粒的稳定尺寸从40-60nm提高到了60-160nm，有望用于提高一般剧烈塑性变形所获得的亚微米和纳米晶的热稳定性。
图1 不同加热速度对纳米晶铜晶粒尺寸的影响
图2 快速升温处理后纳米晶中形成了大量的退火孪晶
图3 快速升温对纳米晶热稳定性的影响（T-GBR：晶界“热弛豫”; TGC：晶粒粗化温度）
图4 不同机制对纳米晶铜热稳定性的影响（T-GBR：晶界“热弛豫”；M-GBR：机械诱导晶界弛豫；SMGT：Surface Mechanical Grinding Treatment，表面机械研磨处理）
本研究利用快速升温处理，在纳米晶铜中引入大量退火孪晶，有效地降低了晶界的能量，提高了纳米晶的热稳定性。看似简单的实验设计背后，蕴藏着科研人员数年如一日的坚守和沉淀。
参考文献：
[1] Li X, Lu K. Playing with defects in metals. Nature materials 16, 700 (2017).
[2] X. Li, K. Lu, Improving sustainability with simpler alloys. Science 364, 733–734 (2019).
[3] X. Zhou, X. Y. Li, K. Lu, Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size. Science 360, 526–530 (2018).
[4] X. Zhou, X. Y. Li, K. Lu, Size dependence of grain boundary migration in metals under mechanical loading. Phys. Rev. Lett. 122, 126101 (2019).
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