金屬材料的強度往往伴隨晶粒尺寸的減小而增加，然而當晶粒尺寸小于某臨界尺寸（~10-15納米）時，納米金屬由于大量晶界活動的存在會出現軟化現象。

最近，北京高壓科學研究中心陳斌研究員與重慶大學黃曉旭教授共同帶領的研究團隊發現在高壓下納米鎳從晶粒尺寸20納米至3納米不僅沒發生軟化反而持續強化，并且3納米鎳在高壓下的強度可以達到普通商用鎳強度的10倍之多。他們的研究提供了一種獲得高強度金屬的新途徑。相關研究以“High pressure strengthening in ultra-fine-grained metals”為題今天發表于國際頂級期刊Nature。

通常情況下，組成金屬的晶粒越小，其強度越高，遵循Hall-Peth關系。然而人們又發現當晶粒細化到~15-10納米左右時，納米金屬的強度不再增加，反而減小—表現出反Hall-Peth關系。人們將這種軟化現象歸因于位錯主導的形變轉變為晶界滑移的形變機制。然而由于實驗技術的限制，傳統手段無法測量尺寸小于15納米晶粒的機械性能，因此對于晶粒尺寸更細的納米金屬的強度是否依然遵循反Hall-Peth關系，人們無法得知。

該團隊率先使用高壓徑向X射線衍射的方法測量納米金屬高壓下的彈性及塑性形變。“徑向高壓X射線衍射相對于傳統高壓X射線衍射的不同是X射線改為從壓軸垂直方向入射，并且使用的是側面大開口的高壓設備，這樣可以獲得樣品360°方向的應變，從而能研究樣品的壓縮形變”陳斌研究員解釋道。

他們以平均晶粒尺寸為200納米至3納米(總共八個不同晶粒尺寸)的金屬鎳做為研究對象，進行了高壓下的納米金屬的形變對比研究。每個晶粒尺寸分布較窄，從而可以精確研究納米金屬的強度與晶粒尺寸的依賴關系。系列徑向高壓X射線衍射測量表明壓縮下的金屬鎳從200納米到最小尺寸3納米，其強度隨著晶粒尺寸的減小呈現持續增加的現象。并且晶粒尺寸從20納米至3納米的金屬鎳的強度增加尤為顯著，3納米鎳樣品的強度可以達到傳統鎳強度的10倍之多。“我們實現了對晶粒尺寸小于10納米金屬強度的首次實驗測量”，陳斌研究員說到,“10納米以下單質金屬表現出來的強化現象很新穎, 也很重要”。

圖釋：納米顆粒越細,變形越小, 即強度越高。

為了進一步探索納米金屬鎳的強化機理，他們進行了理論形變計算以及對每個卸壓后的樣品進行了透射電子顯微鏡分析。理論計算及電鏡分析表明20納米以下的樣品中出現了偏位錯，并且晶界塑性形變在高壓下得到了有效抑制。“偏位錯在晶粒內反應形成不可動的位錯結構，從而可提高位錯在晶粒內的儲存能力，使強度提高，”黃曉旭教授解釋到。“而且由于20納米及以下晶粒尺寸樣品中開始出現了大量偏位錯，所以我們認為，在20納米至3納米晶粒尺寸樣品內出現的強化效果增強現象，除了晶界變形機制被抑制外，偏位錯的產生與反應造成的位錯密度的增加也是關鍵。”

并且他們在另外兩種金屬金和鈀中也觀測到了類似的強化現象，因此該研究提供了一種獲得高強度金屬的新途徑—晶粒細化及壓縮抑制晶界塑性變形。“之前人們認為晶粒細化到一定尺寸會軟化，我們的研究表明壓縮可以有效抑制納米晶界的塑性變形，并且誘導偏位錯及全位錯的硬化，從而有望幫助我們獲得高強度金屬，”陳斌研究員補充道。

陳斌研究員團隊一直致力于納米材料高壓下的形變研究，他們曾首次實驗觀測了3納米的金屬鎳中依然存在位錯滑移的變形機制(Science 2012),使用高壓微區勞厄X射線衍射法首次觀察到納米金屬顆粒轉動幅度的臨界尺寸(美國科學院院報2014, 物理評論快報 2017)等等。黃曉旭教授團隊一直致力于納米材料的電子顯微鏡表征技術研發(Science 2011)和強化機理研究 (Science 2006， 2009, Nature 2010), 發現了納米金屬的退火硬化和變形軟化現象以及尺寸效應。

該論文的共同一作是周曉玲博士，馮宗強博士，朱林利博士，許家寧博士。