中科院瀋陽金屬所盧磊Natl.Sci.Rev.：納米孿晶金屬的變形與斷裂機理研究

【引言】

由於大量納米尺度的孿晶分布在微米或亞微米級的晶粒內，使納米孿晶（NT）金屬成為一種獨特的分級納米材料。孿晶界（TBs）能夠有效阻止位錯的移動，進而提高金屬強度。此外，由於TBs的高對稱性和極低的晶界過剩能，TBs能夠生成和容納大量可移動位錯，有力地說明了納米孿晶（NT）能夠使金屬強化。

【成果簡介】

最近，來自中國科學院瀋陽金屬所的盧磊研究員（通訊作者）等人在National Science Review上發表了最新論文「Deformation and fracture mechanisms of nanotwinned metals」，概述了納米孿晶（NT）金屬的變形與斷裂機理研究前景。同時表明具有機械穩定性的納米孿晶（NT）金屬具有超高強度、良好的拉伸延展性和高的導電性等性能，其優越的機械、物理和化學特性已經引起了研究者的興趣。納米孿晶（NT）金屬的提出是金屬材料領域的重大突破，在金屬膜中納米孿晶能夠增強增韌，但金屬膜中得到的增強增韌機理是否能夠在普通塊狀金屬中適用仍有待證實。

【圖文導讀】

圖1 面心立方（fcc）納米孿晶（NT）金屬中可能的變形機理示意圖

（a）三種不同的位錯運動形式（取決於主動滑移與TB之間的位向關係）：難滑移取向I：位錯堆積；難滑移取向II：位錯在孿晶界（TBs）之間運動；易滑移取向：孿晶部分在孿晶界（TBs）之間滑移；

（b）當孿晶層厚度減小到幾納米時，納米孿晶（NT）金屬中位錯割階機制。

圖2 納米孿晶（NT）金屬膜中裂紋擴展過程

（a）MD快照，表現出了裂紋的曲折擴展模式（位錯在孿晶/基體的局部區域變薄）；

（b）指明裂紋尖端附近的孿晶區域，作為延性裂紋橋接段。

【小結】

目前關於塊狀納米孿晶（NT）金屬的斷裂韌性和損傷機理的研究較少，主要原因在於在常規斷裂試驗中所要準備的納米孿晶（NT）樣品較大不易製備得到。近來，研究人員設計了一種非接觸裂紋擴展位移測量系統，能夠使用相對較小的樣品精確測定納米金屬材料的斷裂韌性，這一測量系統的提出將進一步確定微觀結構參數（如晶粒尺寸、孿晶厚度和孿晶界取向）對塊狀金屬斷裂的影響。此外，研究工作已經在位錯與孿晶界之間的相互作用機制方面取得了進展，但仍有未解決難題（例如：位錯形核與晶界結構之間以及裂紋與孿晶界之間的相互作用研究）。目前大多數研究都基於fcc結構的金屬，其它納米孿晶金屬材料（如hcp結構、bcc結構、陶瓷和複合材料）仍有待發展的。文章表明了微觀結構與變形/損傷行為之間的相關性，進一步說明了優化強度和斷裂韌性對於納米孿晶（NT）金屬材料的工程應用是必不可少的。

National Science Review介紹

National Science Review為中國第一份英文版綜述性學術期刊，定位於一份具有戰略性、導向性的綜述期刊，致力於全面展示中國各科學領域的代表性研究成果，追蹤報道重大科技事件，深度解讀熱點研究和重要科技政策等。於2014年3月正式出版，2016年NSR創刊以來的首個SCI影響因子達到8.0，位於63種多學科綜合類期刊的第5名。本刊發表的所有論文全文可以在線免費閱讀和下載。

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