中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室持续开展纳米金属材料的制备、力学行为及其机理、应用探索等研究。制备出梯度纳米结构材料，揭示了其独特的变形行为，实现材料强度提高而不降低塑性，被评为2011年度中国科学十大进展；在纯镍中制备出超硬超高稳定性新型纳米层片结构，阐明其形成机理，突破了传统金属材料的强度-稳定性倒置关系，为开发高综合性能金属材料开辟了新途径，相关研究成果发表于Science周刊；基于在金属纳米材料方面的优势地位，2014年卢柯院士受邀为Science周刊撰写“梯度纳米材料”展望性文章。“金属材料表面纳米化技术在轧辊上的应用”项目获得“2013年度产学研合作创新成果奖”。2014年，两名学术带头人分别被汤森路透授予“最具国际引文影响力奖”和“高被引科学家奖”。
一、金属中梯度纳米结构的形成与优异性能
开创了梯度纳米金属材料研究方向
发展了金属材料表层梯度纳米结构系列制备技术
利用表层梯度纳米结构实现了钢铁材料的低温氮化
揭示了梯度纳米结构的独特变形行为，实现材料强化而不降低塑性
多数材料及器件的损伤破坏(如磨损、疲劳等)均源于表面，材料的使用寿命在一定程度上取决于材料的表面性能。因此，通过提高材料的表面性能提升整体材料的使役行为已成为材料领域中一大研究趋势。目前提高材料表面性能的途径分两类：一是利用物理或化学方法在材料表面沉积一层具有优异力学或理化性能的材料；二是通过扩散或化学反应使材料表面层的成分、组织或结构发生变化，获得高性能表面层。然而，这些途径存在诸多不足，如界面结合问题、表层剥落、化学反应温度过高等问题。
金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室研究人员提出了利用具有优异性能的梯度纳米结构表层提高整体材料性能的新思路。通过近十余年来的持续深入研究取得了一系列创新成果，开创并引领了这一新研究方向，主要成果包括：
1）在国际上首次提出“金属材料表面纳米化”概念，并在多种金属及合金材料上得以成功实现。由于表面纳米化处理后表面层中结构尺度由表及里呈梯度变化，从而消除了界面结合和表层剥落问题，处理工艺简单、成本低、适用于绝大多数金属材料，表面纳米化技术作为一种全新的材料表面工程技术已成为世界各国的研究热点。
2）发展了多种表面梯度变形制备技术，在金属材料表层获得梯度纳米结构，包括Surface mechanical attrition treatment （SMAT）, Surface mechanical grinding treatment (SMGT），这些技术已在中、美、法、德、澳大利亚等国数十个研究机构及企业得到应用。表面纳米化技术已在宝钢冷轧厂得到成功应用，对拉矫辊表面纳米化处理后，其使用寿命提高2倍。深入研究了多种结构类型(fcc,bcc,hcp)金属材料的表面纳米化过程机制，揭示了机械变形过程中金属晶粒不断细化的微观原理和纳米晶粒的形成和演化过程，研究并发现了纳米结构表层优异的力学、摩擦磨损、扩散和化学反应性能。
3）发展了复合表面纳米化技术，将金属材料的表面纳米化与表面化学热处理（渗氮、渗铬、渗铝等）相结合，大幅度降低了钢铁材料的渗氮温度和渗铬温度，扩展了表面化学热处理的应用范围。纯铁的气体渗氮温度可降至300摄氏度。
4）利用表面机械碾磨处理（SMGT）在纯铜棒材表面成功制备出梯度纳米结构，自表及里晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至微米尺度，棒材芯部为粗晶结构（晶粒尺寸为几十微米），这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。梯度纳米结构层使材料的拉伸屈服强度提高一倍，而梯度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整未出现裂纹，表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制，微观结构研究表明，梯度纳米结构在拉伸过程中其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移，从而导致伴随的晶粒长大。这种变形机制与位错运动、孪生、晶界滑移或蠕变等传统的材料变形机制截然不同。梯度纳米金属铜既具有极高的屈服强度又具有很高的拉伸塑性变形能力。这种兼备高强度和高拉伸塑性的优异综合性能为发展高性能工程结构材料开辟了一条全新的道路。
图1：粗晶铜棒样品(标距直径4.5mm)、梯度纳米结构/粗晶棒状样品和梯度纳米结构薄片样品(梯度纳米结构/粗晶棒状样品表面50微米厚剥层，尺寸：4mm X 2mm X 0.05mm)的准静态拉伸工程应力-应变曲线。插图为梯度纳米结构铜拉伸前后的对比。
图2：强度-塑性匹配。粗晶金属均匀塑性变形或晶粒细化至纳米尺寸使材料强度和塑性沿典型的“香蕉状”曲线（蓝线）增加和降低。粗晶和纳米晶粒随机混合的材料具有类似的强度-塑性倒置关系。然而，梯度纳米结构（红线）实现了强度-塑性匹配。
代表性成果：
1.TongW.P., et al., Nitriding iron at lower temperatures, Science, 299 (2003) 686-688.
2.FangT.H., et al., Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper, Science, 331 (2011) 1587-1590.
3.LuK., Making strong nanomaterials ductile with gradients, Science, 345 (2014) 1455-1456.
4.2003年中国十大科技进展新闻
二、金属中层片纳米结构的发现及其强化机制
在纯铜中发现纳米孪晶结构，兼具超高强度和高导电性
在纳米孪晶纯铜样品中发现极值强度和超高加工硬化行为
提出纳米尺度共格界面强韧化机制及强化界面的三个关键结构特征
在纯镍中发现小角晶界纳米层片结构，兼具超高硬度和高热稳定性
金属材料的强化是材料领域的长期核心研究方向。目前材料的基本强化技术（如应变强化、固溶强化、相变强化、晶粒细化强化等）的实质是在材料中引入各种缺陷以阻碍位错运动，提高材料强度。然而这些传统强化技术均会使材料的塑性、韧性、导电性、热稳定性等显著下降。金属材料强度-塑性/韧性/导电性等的“倒置”关系限制了金属材料在更高水平和更广范围的应用，成为制约金属材料发展和应用的主要瓶颈。如何通过调控金属材料的微观组织结构和内部缺陷来提高材料的综合性能已成为材料领域的重要发展方向。
金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室近十余年来在这一重要研究领域里持续探索研究，先后在金属材料中发现了两类新型层片纳米结构：纳米孪晶结构和小角晶界纳米层片结构，成功实现了材料多种性能的同步提高，综合性能得以优化。
1）纳米孪晶结构。采用脉冲电解沉积技术在纯铜薄膜样品中制备出具有高密度纳米尺寸S3生长孪晶界面，这种具有纳米孪晶结构的纯铜薄膜同时具有超高强度和高导电性，其拉伸强度高达1068 MPa（是普通纯铜的十倍以上），而室温电导率与无氧高导（OFHC）铜相当（97%IACS）。这种在其他材料中难以兼有的超高强度和高导电性源于大量共格孪晶界的高导电性和显著的强化作用。研究发现随孪晶界密度增高，材料强度提高的同时，拉伸塑性、加工硬化、疲劳强度、应变速率敏感性及抗裂纹扩展能力等均同时提高，突破了传统强化技术导致的性能倒置关系。纳米孪晶材料表现出的超高强度、高塑性及优异的综合性能源于纳米尺度共格孪晶界与位错的独特相互作用。孪晶界能够有效地阻碍位错运动（使材料强化），同时孪晶界在变形过程中可作为位错的滑移面而吸纳和储存位错，使材料获得一定的塑性和韧性。
纳米孪晶结构具有优异的热稳定性，为制备具有超细纳米结构（特征尺寸小于10 nm）的样品创造了条件，孪晶片层厚度(λ)从百纳米可降止4 nm。发现减小孪晶片层厚度伴随材料的强度增加。当λ=15 nm时，材料强度达到最大值，进一步减小孪晶片层，强度逐渐下降，并出现软化现象。随孪晶片层尺寸继续减小，样品的塑性和加工硬化能力单调增加。当λ<10 nm时，其加工硬化系数超过了粗晶纯铜的加工硬化系数的上限，表现出超高加工硬化能力。大规模分子动力学模拟和位错形核分子动力学理论研究同样发现了纳米孪晶结构金属材料极值强度，此时由位错塞积和位错穿过孪晶界为主导的传统强化机制（通常符合Hall-Petch关系）将转变为由平行于孪晶界面不全位错的形核和运动（引起孪晶界迁移）而主导的软化机制。这种纳米孪晶结构独特变形机理导致的极值强度和超高加工硬化效应在本质上不同于纳米晶体材料中所预期的晶界变形行为。
根据纳米孪晶结构的研究结果，在国际上提出纳米尺度共格界面强韧化机制, 即强化界面应具备以下三个关键结构特征：(1)界面与基体之间具有晶体学共格关系；(2)具有良好的热稳定性和机械稳定性；(3) 结构特征尺寸在纳米量级(<100nm)。纳米孪晶强化目前已经成为国际材料研究领域的一大研究热点。
图3：A和B分别是材料的传统强化途径示意图。A（自左向右）：固溶强化、第二相弥散或沉淀强化、加工（或应变）强化。B：晶粒细化强化（或晶界强化）。C为新提出的纳米尺度孪晶界强化示意图，右侧为一孪晶界示意图。
图4：普通材料强度提高的同时,导电性大幅度下降。但是通过在Cu样品中引入高密度的纳米尺度生长孪晶, 可同时获得高强度并保持很好的导电性。
2）小角晶界纳米层片结构。利用自主研发的表面机械碾磨技术，在纯镍棒材表面引入高速剪切塑性变形，实现了大应变、高应变速率及高应变梯度变形，在80微米厚的表层中发现了二维纳米层片结构，其平均层片厚度为20 nm，比常规严重塑性变形制备的超细晶尺寸低约一个数量级。这种纳米层片结构具有强剪切变形织构，层片之间的界面属典型的小角晶界。这种二维纳米层片结构具有超高的维氏硬度（6.4 GPa，远高于超细晶结构的硬度），同时具有很高的热稳定性，其结构粗化温度比超细晶结构的粗化温度高40°C。这种纳米层片结构的高硬度和高热稳定性打破了金属材料中传统的强度-稳定性倒置关系，为进一步开发高性能纳米结构材料及其应用提供新的途径。
图5：（A）表面机械碾磨装置示意图。（B）横截面（SD-ND）扫描电镜揭示梯度变形结构。（C）图（B）中虚框对应的背散射电子衍射分析，揭示不同的变形结构。（D，E）横截面和纵截面（ND-TD）透射电子显微镜观察距离表层110微米深度形成的超细晶结构和（D）距离表层40-50微米深度形成的纳米层片结构（E）的明场像。（D，E）中插入界面间距分布（左）和相应的选取电子衍射谱（右）。（F）为由纵截面观察的纳米层片结构的暗场像。
图6：SMGT Ni中不同微观结构的硬度与结构粗化温度（Ton）的关系
代表性成果：
1.LuL., et al., Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper, Science, 304 (2004) 422-426.
2.LuK., et al., Strengthening materials by engineering coherent internal boundaries at the nanoscale, Science, 324 (2009) 349-352.
3.LuL., et al., Revealing the maximum strength in nanotwinned copper, Science, 323 (2009) 607-610.
4.LiX.Y., et al., Dislocation nucleation governed softening and maximum strength in nano-twinned metals, Nature, 464 (2010) 877-880.
5.LiuX.C., et al., Strain-induced ultrahard and ultrastable nanolaminated structure in nickel, Science, 342 (2013) 337-340.
三、金属表面纳米化技术
提出金属材料表面纳米化概念，并自主研发出多种表面纳米化处理技术
表面纳米化技术成功应用于宝钢冷轧拉矫辊，已建成年处理5000根拉辊机组
荣获“2013年度中国产学研合作创新成果奖”
“金属材料的表面纳米化技术”是金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室原始创新、自主研发并具有我国自主知识产权的纳米材料制备和应用的高新技术。2001年实验室与宝钢集团开始合作，将表面纳米化技术应用于轧辊表面处理，并相继开展了中试及工业化生产实验。相关实验表明，表面纳米化技术可大幅度提升轧辊寿命，创造出良好的经济效益。目前，轧辊表面纳米化技术在宝钢已进入产业化生产阶段，已建成具有年处理5000根表面纳米化冷轧拉矫辊能力的生产机组。实验室还与沈阳鼓风机集团有限公司开展合作，对核泵主轴、燃气轮机转子主轴、氧压机转轴等大型结构件材料进行了表面纳米化处理，研究结果表明，表面纳米化轴类材料的表面光洁度、表层硬度、抗疲劳性能和耐腐蚀能力均有大幅度提高。在前期工作的基础上，双方于2013年针对表面纳米化技术在转子主轴及氧压机转轴等上的推广应用开展了生产性实验并取得显著成效。此外，实验室还与中国北车集团沈阳机车车辆有限公司就“轨道货车轮轴的表面纳米化技术及应用”开展了合作研究，并已在LZ50和45CrV轮轴用钢上成功实现表面纳米化。
图7：金属材料表面纳米化技术在核泵泵轴和机车车轴上的应用
代表性成果：
1.2009年度辽宁省自然科学奖一等奖
2.2013年度中国产学研合作创新成果奖
