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    让金属拥有更优异的力学性能
    我国科学家在金属晶粒细化方面突破了尺寸极限

    日期 2014-02-17   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第2期
    (总457期)

      本文提要:金属材料强度越高,韧性就越差。尽管晶粒细化可以同时提高金属强度和韧性,但是会造成晶粒热稳定性下降。这种“鱼和熊掌”的关系长期制约着金属力学性能的提升。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢柯研究组在国家自然科学基金持续的资助下,深入研究了材料强化的基础科学问题,获得了多种新型纳米结构,实现了材料强度、韧性和晶粒热稳定性同时提升,对于改进量大面广金属工程材料具有重要意义。

      在对金属材料的研究中,人们认识到金属晶粒细化可以有效地提升金属材料的综合力学性能,尤其是强度和韧性可以同时提高。然而,晶粒细化有一个尺寸极限,当小于极限时,晶粒变得十分不稳定,无法进一步细化。显然,突破尺寸限制,对于提升金属力学性能有着极其重要的价值。

      2013年10月18日出版的《科学》(Science)杂志发表了中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢柯研究组对这个问题的最新研究成果。他们在金属镍表层成功突破了镍的晶粒尺寸极限,所获得的20nm纳米厚度的层片结构比一般手段所获得的纯镍最小晶粒尺寸还小一个数量级。变形层的硬度高达6.4 GPa,远远超过其他变形方式细化的纯镍硬度。纳米层片结构非常稳定,粗化温度高达506℃,比一般纯镍超细晶结构粗化温度高40℃。

      该项工作的一个关键是提高塑性变形的速率和梯度。为此,卢柯研究组发明了表面机械碾磨处理技术,在金属纯镍棒表层实现了高速剪切塑性变形,在材料最表层同时获得大应变量、高应变速率和高应变梯度。随着距表面深度的增加,应变量和应变速率呈梯度降低,形成呈梯度分布的微观结构。其中,在距离表面10-50微米深度形成了具有小角晶界的纳米层片结构,同时具有良好的热稳定性。

      《科学》发表评论认为,这项研究“为多种工业制造过程中的基础研究和潜在技术应用打开了一个新的视角”。

      重要基础研究成果的取得,需要科研工作者十年磨一剑的静心、精心、细心和耐心,需要聚沙成塔式的厚积薄发,更需要科研资助机构能够营造良好创新环境,对有创新价值的科研项目给予长期稳定的支持。卢柯课题组所取得的该项成果,正是在国家杰出青年科学基金、创新研究群体项目、重大项目、重点项目、国际合作项目和面上项目等长期稳定持续资助下,针对解决金属材料的强度和韧性这对“鱼和熊掌”的矛盾进行了十几年的探索性研究,先后于2000、2004、2009和2011年的《科学》杂志上发表了系列成果,为此最新进展打下了良好的基础。




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