金属材料的强度往往伴随晶粒尺寸的减小而增加，然而当晶粒尺寸小于某临界尺寸（~10-15纳米）时，纳米金属由于大量晶界活动的存在会出现软化现象。

最近，北京高压科学研究中心陈斌研究员与重庆大学黄晓旭教授共同带领的研究团队发现在高压下纳米镍从晶粒尺寸20纳米至3纳米不仅没发生软化反而持续强化，并且3纳米镍在高压下的强度可以达到普通商用镍强度的10倍之多。他们的研究提供了一种获得高强度金属的新途径。相关研究以“High pressure strengthening in ultra-fine-grained metals”为题今天发表于国际顶级期刊Nature。

通常情况下，组成金属的晶粒越小，其强度越高，遵循Hall-Peth关系。然而人们又发现当晶粒细化到~15-10纳米左右时，纳米金属的强度不再增加，反而减小—表现出反Hall-Peth关系。人们将这种软化现象归因于位错主导的形变转变为晶界滑移的形变机制。然而由于实验技术的限制，传统手段无法测量尺寸小于15纳米晶粒的机械性能，因此对于晶粒尺寸更细的纳米金属的强度是否依然遵循反Hall-Peth关系，人们无法得知。

该团队率先使用高压径向X射线衍射的方法测量纳米金属高压下的弹性及塑性形变。“径向高压X射线衍射相对于传统高压X射线衍射的不同是X射线改为从压轴垂直方向入射，并且使用的是侧面大开口的高压设备，这样可以获得样品360°方向的应变，从而能研究样品的压缩形变”陈斌研究员解释道。

他们以平均晶粒尺寸为200纳米至3纳米(总共八个不同晶粒尺寸)的金属镍做为研究对象，进行了高压下的纳米金属的形变对比研究。每个晶粒尺寸分布较窄，从而可以精确研究纳米金属的强度与晶粒尺寸的依赖关系。系列径向高压X射线衍射测量表明压缩下的金属镍从200纳米到最小尺寸3纳米，其强度随着晶粒尺寸的减小呈现持续增加的现象。并且晶粒尺寸从20纳米至3纳米的金属镍的强度增加尤为显著，3纳米镍样品的强度可以达到传统镍强度的10倍之多。“我们实现了对晶粒尺寸小于10纳米金属强度的首次实验测量”，陈斌研究员说到,“10纳米以下单质金属表现出来的强化现象很新颖, 也很重要”。

图释：纳米颗粒越细,变形越小, 即强度越高。

为了进一步探索纳米金属镍的强化机理，他们进行了理论形变计算以及对每个卸压后的样品进行了透射电子显微镜分析。理论计算及电镜分析表明20纳米以下的样品中出现了偏位错，并且晶界塑性形变在高压下得到了有效抑制。“偏位错在晶粒内反应形成不可动的位错结构，从而可提高位错在晶粒内的储存能力，使强度提高，”黄晓旭教授解释到。“而且由于20纳米及以下晶粒尺寸样品中开始出现了大量偏位错，所以我们认为，在20纳米至3纳米晶粒尺寸样品内出现的强化效果增强现象，除了晶界变形机制被抑制外，偏位错的产生与反应造成的位错密度的增加也是关键。”

并且他们在另外两种金属金和钯中也观测到了类似的强化现象，因此该研究提供了一种获得高强度金属的新途径—晶粒细化及压缩抑制晶界塑性变形。“之前人们认为晶粒细化到一定尺寸会软化，我们的研究表明压缩可以有效抑制纳米晶界的塑性变形，并且诱导偏位错及全位错的硬化，从而有望帮助我们获得高强度金属，”陈斌研究员补充道。

陈斌研究员团队一直致力于纳米材料高压下的形变研究，他们曾首次实验观测了3纳米的金属镍中依然存在位错滑移的变形机制(Science 2012),使用高压微区劳厄X射线衍射法首次观察到纳米金属颗粒转动幅度的临界尺寸(美国科学院院报2014, 物理评论快报 2017)等等。黄晓旭教授团队一直致力于纳米材料的电子显微镜表征技术研发(Science 2011)和强化机理研究 (Science 2006， 2009, Nature 2010), 发现了纳米金属的退火硬化和变形软化现象以及尺寸效应。

该论文的共同一作是周晓玲博士，冯宗强博士，朱林利博士，许家宁博士。