快速升温实现纳米晶界“热弛豫”
2020-04-29
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日前，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心纳米金属科学家工作室研究员李秀艳等人研究发现，利用快速升温可以在纳米晶铜中引入退火孪晶，从而实现纳米晶晶界的“热弛豫”，可以提高纳米晶的热稳定性。该项工作4月24日发表于《科学进展》。
目前，常用的严重塑性变形方法（如等通道挤压、叠轧等）制备的纯金属，其晶粒尺寸通常在亚微米尺度，很难在加工过程中启动晶界弛豫机制。例如，严重塑性变形制备的纯铜晶粒尺寸多处于100～200纳米，稳定性较差，其晶粒长大温度远低于粗晶。
为此，研究人员采取快速升温的方法，既避免了晶粒长大，又可产生生长孪晶。具体做法是，将晶粒尺寸80纳米左右的纯铜，以160开尔文（K）/分钟（min）的速率快速升温至523K保温15min再冷却，材料晶粒尺寸没有明显变化，而孪晶数量明显增加。与变形孪晶一样，这些生长孪晶也可以弛豫晶界，增强纳米晶的热稳定性。热处理后，纳米晶的明显长大温度从原来的低于393 K升高至773 K以上。
李秀艳告诉《中国科学报》：“快速升温提高纳米晶稳定性的热弛豫方法，可以用于提高一般严重塑性变形所获得的亚微米和纳米晶的稳定性，对于发展高稳定纳米材料和推动纳米金属的应用具有重要意义。”
近年来，沈阳材料科学国家研究中心纳米金属科学家工作室在纳米金属的稳定性方面开展了系统的研究工作。2018年，工作室研究人员在塑性变形制备的纳米晶纯铜和纯铝中发现了纳米晶热稳定性的反常晶粒尺寸效应，即小于临界尺寸，随着晶粒尺寸减小，材料的变形机制由全位错主导转变为不全位错主导，晶界弛豫机制启动，纳米晶的稳定性不降反升。
随后，他们发现，尽管与加热条件下的晶界迁移的内在机制不同，纳米晶的在受力条件下的机械稳定性也存在这种反常晶粒尺寸效应。该项研究在2019年被《科学》推选为亮点工作。（来源：中国科学报 沈春蕾）
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz8003
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