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精彩！2020年金屬材料領域，15篇《Nature》、《Science》！

2021-01-11 10:53:25 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

《Nature》、《Science》作為國際頂級期刊，發表在上面的論文通常具有廣泛的影響力和重要意義。我國近年來科研實力不斷增強，發表的NS論文也越來越多。

但是，在傳統金屬材料領域相關科研人員都深有體會，想要做出新的重大成果非常困難。從發表論文來說，Acta Materialia是傳統金屬材料的頂刊，想發在Nature、Science則十分困難。

為此，我們選取盤點了15篇2020年發表在NS上的重要成果，希望對大家有所啟發。點擊每篇的藍色標題可查看相應詳細介紹。

1、金屬所等發表《Science》！五重孿晶形成機理獲重要進展

中國科學院金屬研究所鈦合金研究部的周剛助理研究員（共同一作）、王皞副研究員與美國太平洋西北國家實驗室的Li Dongsheng教授（通訊作者）、宋淼博士（共同一作）以及密歇根大學的魯寧博士（共同一作）等人合作，采用高分辨原位透射電鏡和分子動力學模擬方法，在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機理。相關研究成果于2020年1月3日在Science發表。

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2、鋼鐵領域再發《Science》！氫脆原來是這么回事！

對氫陷阱的直接觀察將有助于開發出更耐氫脆的材料。為此，研究人員通過低溫轉移原子探針層析成像技術來觀察鋼中特定微觀結構特征下的氫。結果表明，氫原子被釘扎在鋼中位錯、晶界、析出相等位置不同界面。在富碳的位錯和晶界處直接觀察到了氫，這為氫脆模型提供了實驗證據。在NbC析出相與鋼基體不相連的界面處也觀察到了氫。這直接證明了不相連的界面處可成為氫陷阱，這一發現對于設計抗脆性鋼具有重要重義。

3、鋼鐵再發《Science》！港大黃明欣等創強韌性組合世界紀錄的超級鋼

材料的強度和韌性往往不可兼得，尤其是屈服強度超過2 GPa時難度成倍增加。港大黃明欣等人首次提出高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌的新機理，獲得了同時具備極高屈服強度，極佳韌性，良好延展性的低成本超級鋼，為發展高強高韌金屬材料提供了新的材料設計思路。這是黃明欣團隊2017年在《Science》發表創屈服強度-均勻延伸率世界紀錄的超級鋼之后，在鋼鐵領域取得的又一重大成果。

4、劉錦川院士《Science》：強度1.6GPa，伸長率25%的超強韌合金

在高溫下具有高強度的合金，對包括航空航天在內的許多重要行業至關重要。具有有序超晶格結構的合金在這方面很有吸引力，但通常韌性差，晶粒粗化快。香港城市大學的劉錦川院士團隊發現，納米級無序界面可以有效地克服以上問題。相關論文于07月24日發表在Science上。研究者成功合成了超晶格合金的復合結構，特別是多元素共分離誘發的界面無序，可以用來設計高強度的超晶或納米晶材料，具有增強的晶界穩定性和相應的抗粗化能力。

5、麻省理工：刮胡子刮出一篇《Science》！

盡管剃須刀刀片的硬度是毛發硬度的50倍，在長期使用后刀片也會變鈍。傳統的觀點認為，刀片涂層的磨損變圓和脆裂是造成這一現象的原因。來自麻省理工學院的研究者們揭示了一種不同的機制：刀片變鈍是面外彎曲、微觀結構不均勻性和粗糙的刀片邊緣（刀片邊緣的微觀缺口）共同作用的結果。如果三種因素疊加，還有可能產生斷裂。通過實驗分析和數值模擬揭示了這一現象的關鍵原因：板條馬氏體結構的空間變化引起了II型、III型混合開裂，隨后產生了明顯的磨損。

6、最新《Science》：出乎意料的優勢！從位錯角度揭示合金變形機理

難熔多主元合金（MPEAs）是一種很有前途的材料，可以滿足很多結構應用要求，但在這些合金的體心立方（bcc）變體中，需要從根本上不同的途徑來適應塑性變形。研究者在bcc難熔多主元合金MoNbTi中展示了均勻塑性變形能力和強度的理想組合，這是由崎嶇的原子環境實現的，從位錯角度對變形進行了進一步闡釋。相關論文10月2日發表在Science上。本文揭示了非螺旋位錯以及眾多位錯滑移面出乎意料的優勢，為解釋類似合金的異常高溫強度的理論提供了依據。為合金設計策略提供了一個位錯認識視角，使材料能夠在不同的溫度范圍表現優異。

7、清華今日《Science》：激光增材制造領域取得重要進展！

激光粉末床熔合（LPBF）是目前使用最廣泛的金屬增材制造工藝，正在顛覆改變著制造業，但孔隙率問題仍然是它的致命弱點。本文針對這一問題進行了深入研究，發現了一種新的機制，理清了關于孔隙起源的一些問題。結果表明，小孔孔隙率在功率-速度空間的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉床之間變化不大。相關論文于2020年11月27日發表在Science上。

8、《Nature》4.2GPa超高屈服強度！納米晶金屬的高壓強化

重慶大學材料學院黃曉旭教授團隊與北京高壓科學研究中心陳斌研究員團隊等合作，在《Nature》上發表題為“超細晶金屬的高壓強化”的研究成果，研究人員首次將地球科學研究領域的高壓實驗方法引入到了納米材料研究中，創造性地解決了納米材料強度表征的技術難題。首次報道了晶粒尺寸在10納米以下的納米純金屬的強化現象。將會進一步刷新人們對納米材料強化中臨界晶粒尺寸現象的認識，重新激發通過調控材料的晶粒尺寸和微觀結構獲得超強金屬的探索。

9、金屬所《Nature》85年來加工硬化機理的重新認識！

首次在塊體非晶態材料中實現加工硬化，顛覆了人們對非晶態材料形變軟化行為的固有認識，為開發具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業應用提供了新思路和方向。研究結果表明，塊體非晶合金的加工硬化卻是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少，是一個由高能態向低能態的轉變過程。這與晶體材料的傳統加工硬化過程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化機制。此研究不僅是八十五年來對材料加工硬化機理的重新認識，也為非晶態材料作為結構材料的應用奠定堅實的理論基礎。

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10、重要突破！《Nature》晶界相變，開辟材料設計新道路！

晶界會導致材料變脆容易產生破裂，但是某些晶界能夠阻礙位錯運動進而增強材料性能。晶界相變在純金屬中是否存在一直處于未知狀態，仍沒有研究直接觀察到純金屬中晶界的相變。本文研究了在超凈條件下沉積在藍寶石襯底上的銅薄膜中的晶界，直接觀察到純銅中的晶界相變，并發現了相似晶界中共存的兩種不同結構，為材料設計開辟了新的道路，有利于進一步研究晶界相變對異常晶粒長大及液態金屬脆化等現象。

11、北理工《Nature》突破傳統認知，發現剪切促進晶體生長！

基于傳統的結晶學理論，機械攪拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶體的生長。北京理工大學孫建科教授將其“剪切促進晶體生長”研究成果發表于《Nature》。該項研究突破了人們對傳統晶體生長機理的認知，發現在聚離子液體存在的環境中，不斷的攪拌會讓晶體生長的更快、更大。為簡單、高效合成高質量的單晶提供了新思路。

12、今日《Nature》重要突破！一種改善中高熵合金性能的新途徑

本文中研究人員通過實驗直接觀察到了短程有序結構，這種獨特的結構可以起到很好的強化效果，提高合金的層錯能和硬度。觀察了CrCoNi中熵合金中短程有序結構特征，提供了化學短程有序（SRO）結果的定量可視化，研究了該SRO對MEA/HEA材料力學行為的直接影響，發現這種數量級的增加會引起更高的堆垛層錯能（SFE）和硬度?？梢酝ㄟ^調整熱力工藝參數來改變納米級的局部有序度，從而為調節中熵合金和高熵合金的機械性能提供新途徑。

13、《Nature》重磅：接近A4紙大小！世界上最大的單晶金屬箔誕生

大型單晶金屬箔有巨大的潛在應用，制備具有不同晶面指數的大型單晶金屬箔一直是材料科學的重點研究方向之一。在單晶金屬箔中，高指數晶面在原理上較完整，能夠獲得更豐富多樣的表面結構和性能，但是控制并制備具有高指數晶面的單晶箔非常困難。本文創造性提出晶體表界面調控的“變異和遺傳”生長機制，在國際上首次實現種類最全、尺寸最大的高指數晶面單晶銅箔庫的制造，發現金屬箔中的應變能和表面能是退火過程中異常晶粒生長的競爭性驅動力。

14、馬普所最新《Nature》：增材制造1.3GPa強度，10%延伸率的新型鋼材！

激光增材制造的部件經歷了大量的循環再加熱，研究者可以利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結構，實現對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制力學行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率。采用的原位沉淀強化和局部組織控制原理可廣泛應用于沉淀硬化合金和不同添加劑的制造工藝，避免了耗時和昂貴的后處理時效熱處理，也提供了局部調整微觀結構的可能性，這是傳統熱處理不可能做到的。

15、厲害！用銅發了篇《Nature》，簡單高效的新型防腐技術！

銅，由于其高導熱性和電導率、延展性和整體無毒性，在日常和工業中得到了廣泛應用。然而，銅不容易形成穩定的表面鈍化層以阻止其被空氣連續腐蝕。盡管研究者已經努力開發了眾多材料作為阻氧劑的表面鈍化技術，但大規模應用程度仍然有限。來自廈門大學和北京大學等單位的研究者報道了在甲酸鈉存在的情況下對銅進行溶劑熱改性，可以重建銅表面的晶體結構并形成超薄的表面配位層，很好地提升了銅的耐腐蝕性。