一、【导读】
晶粒细化是一种遵循霍尔普赫关系的金属和合金硬化方法，无需改变化学成分即可显著提高屈服强度。当晶粒尺寸缩小至纳米尺度时，金属强度可大幅提升。然而，当晶粒尺寸低于约10纳米时，硬化效果会因晶界活动（如迁移、滑动或晶粒旋转）而减弱，导致金属变软。通过添加合适的合金元素可以稳定晶界，将硬化效果扩展到更小尺寸，但中间化合物的形成限制了这一效果。孪晶界（TBs）因低过剩能量而比晶界更稳定，也能阻碍位错运动。近年来，纳米孪晶在多种材料中展现出显著的硬化效果，例如纯铜的强度在纳米孪晶存在时可提升20倍以上。但在高密度下，孪晶在极小间距（如小于15纳米）时会变得不稳定，导致软化。为了进一步强化金属，需要在更高密度下实现更稳定的界面。
二、【成果掠影】
在此，辽宁材料实验室/中国科学院金属研究所卢柯院士和李秀艳研究员（共同通讯作者）等人另辟蹊径，通过构建一种具有“负多余能界面”（negative excess-energy interface, NEI）的纳米尺度界面来增强镍合金的强度。利用密度泛函理论计算，表明ABCABC堆垛与ABAB堆垛层之间的共格界面非常稳定，通过脉冲电沉积制备了过饱和的镍-钼固溶体。所沉积的薄膜具有非晶相，而通过不同的退火策略进行结晶，可以产生高密度的堆垛层错和间距小于10纳米的孪晶边界。这些层错并非由塑性变形或特定杂质的添加引起，而是在退火过程中从非晶相形成。因此，金属强度逼近理论值，其最终的弹性模量达到254.5 GPa，远超所有已知镍基合金和金属玻璃。
相关研究成果以“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy”为题发表在Science上。
三、【核心创新点】
1.作者通过操控具有“负多余能界面”的纳米尺度界面来增强镍合金的强度，发现面心立方晶格与六方密堆积晶格之间的共格界面比过饱和Ni(Mo)溶液中的孪晶边界更稳定；
2.“负多余能界面”可以在Ni(Mo)溶液中以极高的密度产生，平均间距小至约1纳米，使得Ni(Mo)合金的测量杨氏模量达到254.5GPa，远高于Ni3Mo。
四、【数据概览】
图1 Ni(26%Mo)过饱和样品的微观结构© 2025 AAAS
图2 Ni(Mo)样品中的平面缺陷和ABCABC/ABAB界面© 2025 AAAS
图3 具有纳米尺度NEIs的过饱和Ni(Mo)样品的力学性能© 2025 AAAS
图4 具有纳米尺度NEIs的过饱和Ni(Mo)样品的弹性模量© 2025 AAAS
五、【成果启示】
总的来看，纳米尺度稳定的NEIs的强化效果与纳米孪晶有本质区别，纳米孪晶的强化效果受到高密度下孪晶界（TBs）不稳定性的影响。NEIs的固有稳定性使得稳定的障碍物密度极高，从而禁止了塑性变形，将金属的强度提升到极致。
堆垛层错和孪晶通常在金属的晶体生长、再结晶、相变和塑性变形过程中形成。通过优化工艺参数，可以在不同合金中实现纳米尺度NEIs的制备。这种纳米尺度NEI强化策略可能适用于广泛的材料，为材料科学和工程提供了新的方向。
文献链接：“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy”（Science，2025，10.1126/science.aea4299）
本文由材料人CYM编译供稿。
