浙江大学交叉力学中心与上海高压科学研究中心、重庆大学材料科学与工程学院等单位合作，在超强金属材料方面又取得重大突破。交叉力学中心的朱林利副教授是该论文的共同第一作者，高压科学研究中心的陈斌教授、重庆大学的黄晓旭教授是共同通讯作者。相关成果于2月24日在顶级国际期刊Nature上在线发表 (Xiaoling Zhou#, Zongqiang Feng#, Linli Zhu#, Jianing Xu#, Lowell Miyagi, Hongliang Dong, Hongwei Sheng, Yanju Wang, Quan Li, Yanming Ma, Hengzhong Zhang, Jinyuan Yan, Nobumichi Tamura, Martin Kunz, Katie Lutker, Tianlin Huang, Darcy A. Hughes, Xiaoxu Huang* and Bin Chen*, High pressure strengthening in ultra-fine-grained metals, Nature, 2020)( https://www.nature.com/articles/s41586-020-2036-z )。

超高强度金属材料在航空航天、高速列车等领域有着大量的应用，如何使材料持续强化一直是材料研究领域的研究热点和难点。虽然晶粒细化是金属材料强化的有效方法之一，但是晶粒尺寸存在一个临界值（大小在10-20nm之间），随着晶粒进一步细化材料强度发生软化，即强度和晶粒尺寸的反Hall-Petch关系。该工作通过金刚石压砧（diamond anvil cell）径向X射线衍射技术，原位测量不同晶粒尺寸的纯金属镍的屈服应力和变形织构，研究发现：随着晶粒尺寸从200nm减小至3nm，材料发生持续强化而未出现反Hall-Petch现象，超细晶镍最大屈服强度达到4.2GPa。

图1. 超细晶金属镍的高分辨TEM（HRTEM）与力学性能

在此次研究中，上海高压科学研究中心的周晓玲博士和许家宁博士利用金刚石压砧（diamond anvil cell）和径向X射线衍射方法，测量在高压环境中多种晶粒尺寸的纯金属镍的偏应力随晶格应变的变化关系、以及屈服应力与晶粒尺寸的定量关系，如图1所示，发现超细金属镍(晶粒尺寸为3nm)的屈服强度达到4.2GPa，是常用金属镍的10倍，最大流应力可以达到10.2GPa；重庆大学材料科学与工程学院的冯自强博士等通过扫描电镜观察到在3nm晶粒内部存在的位错、层错和孪晶。

图2. 激发晶界形变的临界应力、临界晶粒尺寸与压力之间的定量关系，以及基于修正Hall-Petch关系的屈服强度尺寸效应的预测。

金属材料屈服强度的反Hall-Petch关系的产生主要来自于晶界相关的塑性形变，如晶界滑移、晶界扩散以及晶粒转动等。由于金刚石压砧提供了高压极端环境，晶界形变将被抑制，随着晶粒细化金属镍的塑性变形机制从全位错活动向偏位错和全位错共同作用的变形行为转变。当晶粒尺寸小于临界尺寸之后，晶界塑性行为的有效抑制使得材料内部继续产生位错（包括全位错和不全位错），使得超细晶金属镍进一步得到强化。基于这一变形机理，交叉力学中心的朱林利副教授建立了考虑高压作用的晶界塑性形变模型，预测了激发晶界形变的临界应力、临界晶粒尺寸与压力之间的定量关系，成功地验证了高压抑制晶界形变的变形机制，解释了高压诱导超细晶金属镍强化的超高强度，并给出了同时考虑全位错和不全位错作用的修正Hall-Petch关系(如图2所示)。

高压诱导金属强化机理的发现，极大拓展高强度金属材料在极端环境下的应用。尤其是金属材料屈服强度的反Hall-Petch效应在高压环境下的消失，将使超细晶金属在极端高压环境中可以得到有效的应用。

作者|朱林利