現(xiàn)代工業(yè)越來(lái)越需要高純金屬，以更好地控制設(shè)備的材料特性和功能（如濺射靶、生物植入材料、高導(dǎo)電性金屬等）。但高純金屬的加工和應(yīng)用受到一個(gè)眾所周知的問(wèn)題限制：金屬材料純度越高，越容易在熱和機(jī)械刺激下發(fā)生再結(jié)晶（或晶粒粗化）和塑性形變，表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度。晶粒細(xì)化通常能夠在不添加外來(lái)元素的前提下大幅提升金屬?gòu)?qiáng)度，但由于高密度晶界的引入，結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性急劇降低。如何提高高純金屬的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度一直是研究人員和工業(yè)應(yīng)用想要解決的難題。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心納米金屬材料科學(xué)家工作室團(tuán)隊(duì)一直致力于納米金屬材料的研究。2018年，研究團(tuán)隊(duì)在塑性變形制備的納米晶純銅和純鎳中發(fā)現(xiàn)了納米晶熱穩(wěn)定性的反常晶粒尺寸效應(yīng)，即臨界尺寸以下納米晶在塑性變形過(guò)程中以不全位錯(cuò)活動(dòng)為主導(dǎo)，不全位錯(cuò)與晶界的交互作用可以誘導(dǎo)發(fā)生晶界弛豫效應(yīng)，晶界能量顯著降低，使得納米晶的穩(wěn)定性隨晶粒尺寸減小不降反升（Science, 360, 2018）。隨后，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)純銅、鎳、銀等金屬納米晶在載荷作用下的機(jī)械穩(wěn)定性也存在這種反常晶粒尺寸效應(yīng)（Phys. Rev. Lett., 122, 2019）。
基于前期相關(guān)研究，近期，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在高純金屬銅中引入晶界弛豫效應(yīng)，使得高純銅同時(shí)表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性和高強(qiáng)度，從而突破了金屬純度-穩(wěn)定性倒置關(guān)系難題。相關(guān)研究成果以“Breaking the purity-stability dilemma in pure Cu with grain boundary relaxation”為題在《今日材料》（Materials Today）上發(fā)表。
在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)選擇了99 wt.%-99.9999 wt.%（2N-6N）五種不同純度的金屬銅，利用表面機(jī)械碾磨制備了晶粒尺寸及梯度分布情況都接近的銅棒樣品；并基于前期研究工作（純銅中變形誘導(dǎo)晶界弛豫臨界晶粒尺寸約為70 nm），在不同純度銅棒樣品中取平均晶粒尺寸約60 nm和100 nm的樣品進(jìn)行比較研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)100 nm晶粒隨樣品純度增加，其熱穩(wěn)定性顯著降低，與傳統(tǒng)教科書上的理論一致（即雜質(zhì)原子釘扎晶界，提高穩(wěn)定性）；而60 nm晶粒隨樣品純度增加，其熱穩(wěn)定性反常提升。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)合分子動(dòng)力力學(xué)模擬，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由于晶界處雜質(zhì)原子的存在，晶界在變形過(guò)程中發(fā)射孿晶或?qū)渝e(cuò)變得更困難，從而阻礙了晶界結(jié)構(gòu)弛豫過(guò)程；同時(shí)發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)原子的存在使得弛豫后的晶界能量相對(duì)于高純度樣品略微增加。因此，在純度較低的樣品中，晶界弛豫變得更加困難，弛豫效應(yīng)降低，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性低于弛豫態(tài)高純樣品。眾所周知，金屬材料存在本征的性能“倒置關(guān)系”困境：金屬純度越高，強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性越低；純金屬?gòu)?qiáng)度越高，熱穩(wěn)定性越低。本工作中晶界弛豫態(tài)納米晶銅樣品純度越高，強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性同步提升。
該工作表明晶界弛豫可有效打破純銅中的純度-穩(wěn)定性困境，因?yàn)樗孓D(zhuǎn)了一般情況下雜質(zhì)對(duì)穩(wěn)定性的影響。在弛豫態(tài)納米晶純銅樣品中觀察到的異常雜質(zhì)對(duì)穩(wěn)定性的影響拓展了對(duì)晶界內(nèi)在性質(zhì)及其與雜質(zhì)的相互作用的理解。原則上，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒峄驒C(jī)械處理，可以在各種金屬中誘發(fā)晶界弛豫效應(yīng)。此外，晶界弛豫顯著提高高純度金屬的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，極大地拓寬了優(yōu)化高純度金屬性能和推進(jìn)其加工技術(shù)的窗口。
以上工作由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心納米金屬材料科學(xué)家工作室團(tuán)隊(duì)和蘭州理工大學(xué)薛紅濤團(tuán)隊(duì)合作完成。沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心博士生傅皇留、周鑫副研究員為共同第一作者，盧柯院士、李秀艷研究員為通訊作者。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0204401，2017YFA0700700）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（52001315）等的支持。
圖：左圖為2N和6N銅納米晶（nanograins，NG）和弛豫態(tài)納米晶（relaxed nanograins，RNG）在典型溫度退火后的晶粒圖片對(duì)比；右圖為本工作和文獻(xiàn)中不同純度銅樣品熱穩(wěn)定性（晶粒粗化溫度）和顯微硬度分布關(guān)系圖。
