對金屬材料進(jìn)行嚴(yán)重塑性變形可顯著細(xì)化其微觀組織，使晶粒細(xì)化至亞微米（0.1~1微米）尺度從而大幅度提高其強(qiáng)度。但進(jìn)一步塑性變形時晶粒不再細(xì)化，材料微觀結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)態(tài)達(dá)到極限晶粒尺寸，形成三維等軸狀超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)晶界為大角晶界。出現(xiàn)這種極限晶粒尺寸的原因是位錯增殖主導(dǎo)的晶粒細(xì)化與晶界遷移主導(dǎo)的晶粒粗化相平衡，其實(shí)質(zhì)是超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨晶粒尺寸減小而降低所致。如何突破這一晶粒尺寸極限，進(jìn)一步細(xì)化微觀組織，在繼續(xù)提高金屬材料強(qiáng)度的同時提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是當(dāng)今納米金屬材料研究面臨的一個重大科學(xué)難題。

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗室盧柯研究組在這一科學(xué)難題研究上取得重大突破，他們利用自行研發(fā)的新型塑性變形技術(shù)（表面機(jī)械碾磨處理）在金屬鎳表層成功突破了這一晶粒尺寸極限，獲得納米級厚度并具有小角晶界的層片結(jié)構(gòu)，同時發(fā)現(xiàn)這種納米層片結(jié)構(gòu)兼具超高硬度和熱穩(wěn)定性。這種新型超硬超高穩(wěn)定性金屬納米結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)金屬材料的強(qiáng)度-穩(wěn)定性倒置關(guān)系，為開發(fā)新一代高綜合性能納米金屬材料開辟了新途徑。

　　研究表明，塑性變形過程中提高變形速率和變形梯度可有效提高位錯增殖及儲存位錯密度，從而促進(jìn)晶粒細(xì)化進(jìn)程。為此，盧柯研究組利用表面機(jī)械碾磨處理在金屬純鎳棒表層實(shí)現(xiàn)了高速剪切塑性變形，這種塑性變形可在材料最表層同時獲得大應(yīng)變量、高應(yīng)變速率和高應(yīng)變梯度。隨著距表面深度增加，應(yīng)變量、應(yīng)變速率和應(yīng)變梯度呈梯度降低，形成呈梯度分布的微觀結(jié)構(gòu)。在距離表面10~50微米深度形成了具有小角晶界的納米層片結(jié)構(gòu)，層片平均厚度約為20nm，比純鎳中的變形晶粒尺寸極限小一個數(shù)量級，其硬度高達(dá)6.4GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他變形方式細(xì)化的純鎳硬度。測量表明，納米層片結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)粗化溫度高達(dá)506℃，比同成分材料超細(xì)晶結(jié)構(gòu)晶粒粗化溫度高40℃。納米尺度的層片厚度是超高硬度的本質(zhì)原因，而高熱穩(wěn)定性源于其中的平直小角晶界和強(qiáng)變形織構(gòu)。這種新型超硬超高穩(wěn)定性金屬納米結(jié)構(gòu)有望在工程材料中得到應(yīng)用以提供其耐磨性和疲勞性能。

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