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卢柯最新Science:金属纳米晶晶粒尺寸越小热稳定性越高

导读: 纳米尺度金属晶粒细化可以大大提高其强度和硬度。但引入的高密度晶界(GBs)为晶粒粗化提供了强大的驱动力同时也影响材料的性能。纳米级金属颗粒融化温度随颗粒直径的减小而显著下降。

【引言】

纳米尺度金属晶粒细化可以大大提高其强度和硬度。但引入的高密度晶界(GBs)为晶粒粗化提供了强大的驱动力同时也影响材料的性能。纳米级金属颗粒融化温度随颗粒直径的减小而显著下降。对于金属中的纳米尺寸晶粒,晶粒粗化开始的不稳定温度显着降低。固有的热不稳定性是纳米成形材料的“致命弱点”,阻碍了高温下的技术应用和纳米颗粒金属的加工复杂化,以进一步改善结构和提高性能。通常采用合金化,降低纳米晶的晶界能。合金化虽然在一定程度上有所增益,但是仍然难以避免金属力学性能的降低。通过溶质偏析降低GB能量可能会降低粗化的热力学驱动力,从而也会稳定纳米晶粒。但是可能影响并恶化纳米成形材料的机械,物理或化学性质。在没有合金化的情况下,稳定纯金属中的纳米颗粒结构在技术上是具有挑战性的。

【成果简介】

近日,中科院沈阳金属研究所卢柯研究员和李秀艳研究员团队(共同通讯作者)在science发表了题为“Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size”的文章。研究团队使用纯度为99.97%,表面为粗晶的不含氧的Cu棒,在液氮温度下使用表面机械研磨处理(SMGT)以产生梯度纳米表面层。形成平均尺寸为?40±2 nm和长径比为1.7的随机取向晶粒。TEM测量发现横向晶粒尺寸随着深度增加而逐渐增加,横截面晶粒平均尺寸为70 nm左右;150 μm处,横截面晶粒平均尺寸为200nm左右。观察到变形的晶粒结构粘附在150-500μm深度跨度的无变形核心上。在纯Cu或Ni中,GB向低能态的自发结构演变,导致纳米晶粒显着的热稳定性,其表观不稳定温度甚至高于粗晶粒。研究表明:低温下由塑性变形产生的纯铜或镍中的纳米级晶粒在临界晶粒尺寸以下显示出显著的热稳定性。因为塑性变形中部分位错的活化使纳米晶粒之间形成低角度晶界,导致纳米晶晶界自动从高能态演变到低能态,从而增强热稳定性。

【图文导读】

图1退火导致纯Cu表面梯度纳米结构的变化

卢柯最新Science:金属纳米晶晶粒尺寸越小热稳定性越高

图2 铜表面层中亚微米晶粒的退火诱导粗化

卢柯最新Science:金属纳米晶晶粒尺寸越小热稳定性越高

图3 Cu中不稳定温度和GB能量的晶粒尺寸依赖性

卢柯最新Science:金属纳米晶晶粒尺寸越小热稳定性越高

图4退火诱导的结构在纯Ni中梯度结构的变化

卢柯最新Science:金属纳米晶晶粒尺寸越小热稳定性越高


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