金属所等利用晶界弛豫效应在纯铜中解析金属纯度-稳定性倒置关系难题

现代工业越来越需要高纯金属以更好地控制设备的材料特性和功能（如溅射靶、生物植入材料、高导电性金属等）。然而，高纯金属的加工和应用受到一个问题的限制：金属材料纯度越高，越容易在热和机械刺激下发生再结晶（或晶粒粗化）和塑性形变，表现出较差的热稳定性和强度。晶粒细化通常能够在不添加外来元素的前提下大幅提升金属强度，而由于高密度晶界的引入，结构热稳定性急剧降低。如何提高高纯金属的热稳定性和强度是研究人员与工业应用试图解决的难题。

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材料科学家工作室团队致力于纳米金属材料研究。2018年，研究团队在塑性变形制备的纳米晶纯铜和纯镍中发现了纳米晶热稳定性的反常晶粒尺寸效应，即临界尺寸以下纳米晶在塑性变形过程中以不全位错活动为主导，不全位错与晶界的交互作用可以诱导发生晶界弛豫效应，晶界能量显著降低，使纳米晶的稳定性随晶粒尺寸减小不降反升（Science, 360, 2018）。而后，该团队研究发现纯铜、镍、银等金属纳米晶在载荷作用下的机械稳定性也存在这种反常晶粒尺寸效应（Physical Review Letters, 122, 2019）。

近日，基于前期相关研究，该团队在高纯金属铜中引入晶界弛豫效应，使高纯铜同时表现出高热稳定性和高强度，从而突破了金属纯度-稳定性倒置关系难题。相关研究成果以Breaking the purity-stability dilemma in pure Cu with grain boundary relaxation为题，发表在《今日材料》（Materials Today）上。

本研究中，该团队选择了99 wt.%-99.9999 wt.%（2N-6N）五种不同纯度的金属铜，利用表面机械碾磨制备了晶粒尺寸及梯度分布情况均接近的铜棒样品；基于前期研究工作（纯铜中变形诱导晶界弛豫临界晶粒尺寸约为70 nm），在不同纯度铜棒样品中取平均晶粒尺寸约60 nm和100 nm的样品进行比较研究。实验发现：100 nm晶粒随样品纯度增加，其热稳定性显著降低，与传统教科书上的理论一致（即杂质原子钉扎晶界，提高稳定性）；而60 nm晶粒随样品纯度增加，其热稳定性反常提升。研究通过实验观察结合分子动力力学模拟发现，由于晶界处杂质原子的存在，晶界在变形过程中发射孪晶或层错变得更困难，从而阻碍了晶界结构弛豫过程；杂质原子的存在使弛豫后的晶界能量相对于高纯度样品略微增加。在纯度较低的样品中，晶界弛豫变得更加困难，弛豫效应降低，导致其热稳定性低于弛豫态高纯样品。金属材料存在本征的性能倒置关系困境：金属纯度越高，强度和热稳定性越低；纯金属强度越高，热稳定性越低。本工作中晶界弛豫态纳米晶铜样品纯度越高，强度和热稳定性同步提升。

该研究表明晶界弛豫可有效打破纯铜中的纯度-稳定性困境，这是由于它逆转了一般情况下杂质对稳定性的影响。在弛豫态纳米晶纯铜样品中观察到的异常杂质对稳定性的影响拓展了科学家关于晶界内在性质及其与杂质的相互作用的理解。原则上，通过适当的热或机械处理，可以在各种金属中诱发晶界弛豫效应。此外，晶界弛豫显著提高了高纯度金属的热稳定性和机械稳定性，拓宽了优化高纯度金属性能和推进其加工技术的窗口。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金青年科学基金项目等的支持。该工作由金属所和兰州理工大学合作完成。

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左图为2N和6N铜纳米晶（nanograins，NG）和弛豫态纳米晶（relaxed nanograins，RNG）在典型温度退火后的晶粒图片对比；右图为本工作和文献中不同纯度铜样品热稳定性（晶粒粗化温度）和显微硬度分布关系图