近期，南京理工大学材料学院/格莱特研究院纳米晶与非晶合金团队在国际综合类期刊《Nature Communications》上在线发表了题为《Dislocation exhaustion and ultra-hardening of nanograined metals by phase transformation at grain boundaries》（超细纳米晶晶界扩散相变诱导位错消耗与超硬化效应）的研究论文(https://www.nature.com/articles/s41467-022-33257-1）。南京理工大学为第一完成单位。论文共同第一作者为材料学院/格莱特研究院吴尚书博士研究生和寇宗德博士，共同通讯作者为冯涛教授和赖庆全教授。该研究是我校纳米材料国际合作最新成果，合作者包括德国卡尔斯鲁厄理工学院Herbert Gleiter院士（格莱特所PI）、Horst Hahn院士（格莱特所PI）、Shyam Swaroop Katnagallu博士，德国明斯特大学Gerhard Wilde教授（格莱特所PI）和Shabnam Taheriniya博士。此外我校兰司教授联系了同步辐射表征等国际开放资源。
晶粒细化是金属材料最重要的强化方法之一。然而，对于细晶强化的探索主要受到两方面因素的限制：1）极细晶粒尺寸（<10-15 nm）金属材料的制备越发困难；2）极细晶粒尺寸下出现反常Hall-Petch效应（由Gleiter院士首次提出）。在符合Hall-Petch关系的晶粒尺寸范围内，塑性变形由位错机制决定。在外加机械载荷作用下，位错源被激活，晶格位错滑动提供了塑性应变的载体。但当晶粒尺寸继续缩小至10-15 nm以下时，晶界相关过程（晶界滑动、晶粒转动和晶界迁移等）开始主导塑性变形，并且开始发生软化，即出现反常Hall-Petch效应。因此，对于纳米结构金属材料本征强度的探索驱使人们不仅关注晶粒尺寸这一结构参数，还必须研究纳米结构金属材料的晶界以及位错行为。
超细纳米晶晶界扩散相变诱导位错消耗与超硬化效应关键实验证据
对此，该国际研究团队提出一种高强度纳米结构金属材料的设计策略。团队通过使用与Horst Hahn院士共同引进并搭建的惰性气体冷凝设备（IGC，热蒸发源），制备出一种晶粒尺寸为15.4 nm的单相BCC结构Fe84Ni16合金，通过热处理发现了其具有超硬化效应。结合原位升温同步辐射高能X-射线衍射、三维原子探针以及透射电镜等表征手段揭示了其强化机理。即利用元素的晶界偏析效应，在低温热处理过程中诱发纳米晶材料产生晶界扩散相变，消耗残余晶格位错并避免显著晶粒长大。这些导致了极低位错密度多晶体的形成，使塑性变形由预存晶格位错滑移主导转变为由位错的晶界形核主导，从而产生了超硬化效应，显著降低了纳米晶材料的强度对晶粒尺寸的依赖关系。该研究揭示了极低位错密度对于纳米结构金属材料强化的重要性，并且证明了通过纳米结构金属材料晶界的热力学和动力学特性来调控晶界相变，可以为探索纳米结构金属材料的新颖性能提供新的思路。
上述工作得到了国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、校自主科研重大培育专项等资金支持。
