超高強度金屬材料在航空航天、高速列車等領域有著大量的應用，如何使材料持續強化一直是材料研究領域的研究熱點和難點。日前，浙江大學等在頂級國際期刊Nature上發表超高強度金屬工作的最新進展。研究團隊通過金剛石壓砧（diamond anvil cell）徑向X射線衍射技術，原位測量不同晶粒尺寸的純金屬鎳的屈服應力和變形織構，研究發現：隨著晶粒尺寸從200nm減小至3nm，材料發生持續強化而未出現反Hall-Petch現象，超細晶鎳最大屈服強度達到4.2GPa。

圖1. 超細晶金屬鎳的高分辨TEM（HRTEM）與力學性能

超高強度金屬材料在航空航天、高速列車等領域有著大量的應用，如何使材料持續強化一直是材料研究領域的研究熱點和難點。雖然晶粒細化是金屬材料強化的有效方法之一，但是晶粒尺寸存在一個臨界值（大小在10-20nm之間），隨著晶粒進一步細化材料強度發生軟化，即強度和晶粒尺寸的反Hall-Petch關系。

在此次研究中，上海高壓科學研究中心的周曉玲博士和許家寧博士利用金剛石壓砧（diamond anvil cell）和徑向X射線衍射方法，測量在高壓環境中多種晶粒尺寸的純金屬鎳的偏應力隨晶格應變的變化關系、以及屈服應力與晶粒尺寸的定量關系，如圖1所示，發現超細金屬鎳（晶粒尺寸為3nm）的屈服強度達到4.2GPa，是常用金屬鎳的10倍，最大流應力可以達到10.2GPa；重慶大學材料科學與工程學院的馮自強博士等通過掃描電鏡觀察到在3nm晶粒內部存在的位錯、層錯和孿晶。

圖2. 激發晶界形變的臨界應力、臨界晶粒尺寸與壓力之間的定量關系，以及基于修正Hall-Petch關系的屈服強度尺寸效應的預測。

金屬材料屈服強度的反Hall-Petch關系的產生主要來自于晶界相關的塑性形變，如晶界滑移、晶界擴散以及晶粒轉動等。由于金剛石壓砧提供了高壓極端環境，晶界形變將被抑制，隨著晶粒細化金屬鎳的塑性變形機制從全位錯活動向偏位錯和全位錯共同作用的變形行為轉變。當晶粒尺寸小于臨界尺寸之后，晶界塑性行為的有效抑制使得材料內部繼續產生位錯（包括全位錯和不全位錯），使得超細晶金屬鎳進一步得到強化。

基于這一變形機理，浙江大學航空航天學院副教授朱林利博士建立了考慮高壓作用的晶界塑性形變模型，預測了激發晶界形變的臨界應力、臨界晶粒尺寸與壓力之間的定量關系，成功地驗證了高壓抑制晶界形變的變形機制，解釋了高壓誘導超細晶金屬鎳強化的超高強度，并給出了同時考慮全位錯和不全位錯作用的修正Hall-Petch關系（如圖2所示）。

高壓誘導金屬強化機理的發現，極大拓展高強度金屬材料在極端環境下的應用。尤其是金屬材料屈服強度的反Hall-Petch效應在高壓環境下的消失，將使超細晶金屬在極端高壓環境中可以得到有效的應用。

該項研究由浙江大學航空航天學院應用力學研究所、浙江省軟體機器人與智能器件重點實驗室、浙江大學交叉力學中心的朱林利副教授作為主要合作者（共同第一作者），與上海高壓科學研究中心陳斌教授課題組、重慶大學材料科學與工程學院黃曉旭教授課題組等國內外科研院所合作發表。

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