《Nature》子刊：颠覆理论！金属材料软而坚韧可以兼得！

导读：物理冶金学的传统方法是在金属中添加合金元素来增加它们的强度。还不太清楚固溶强化是否会发生在纳米尺度的物体中，也完全不知道合金化会如何影响无缺陷面纳米颗粒的强度。纯金属无缺陷纳米颗粒显示出接近理论极限的超高强度。在压缩试验中，它们弹性变形，直到*次位错成核，之后它们塌陷成扁平形状。本文发现镍纳米粒子与钴的合金化降低了它们的极限强度。这种反常的固溶软化效应可以用溶质诱导的分解剪应力的局部空间变化来解释，从而导致过早的位错成核。随后的粒子变形需要更多加工，使其更加坚韧。强度和韧性之间的折衷使合金纳米颗粒有了很好的应用前景。

晶体材料的理论强度的作用类似于物理学中光速的作用：它无法达到，但设定了可能达到的物理极限。达到金属材料的理论强度是物理冶金的圣杯。金属的理论强度通常在G/30–G/8的范围内，其中G是金属的弹性剪切模量。实际上，金属和合金在低得多的应力下塑性屈服。它们的塑性变形由新的和现有的位错运动以及新的内部位错源的激活所控制。已经探索了几种提高材料强度的策略，例如合金化、沉淀强化、晶粒尺寸减小、晶界工程和微观结构调整。虽然这些策略确实有助于提高力量，但仍远低于理论极限。

60年前，布伦纳发现金属晶须的强度随着直径的减小而增加，从几微米到更小，*终达到GPa水平。强度的增加主要归因于塑性变形机制的改变，从块体材料中的位错运动和增殖到亚微米尺寸的无缺陷样品中的位错成核。通过固态去湿获得的金属微粒和纳米颗粒是强度接近理论极限的无缺陷金属物体的例子。它们表现出比在拉伸中测试的无缺陷金属晶须高得多的压缩强度。在后一种情况下，大的表面积在比在压缩中测试的纳米颗粒所能支持的小得多的应力下催化位错半环的异质成核。

*近，据报道，由固态去湿产生的无缺陷面心立方镍纳米粒子的强度达到创纪录的34GPa。颗粒具有多面的形状，具有相对圆形的角和边缘，并且（111）顶面平行于基底排列。在压缩过程中，颗粒表现出高达约0.2的弹性行为，随后突然塌陷成圆饼形状。圆形的边缘和拐角降低了应力集中，并延迟了坍塌，直到应力接近理论极限。*近，通过两阶段固态去湿生产的体心立方钼微粒达到了甚至更高的压缩强度46GPa（金属材料有史以来报道的*高强度）。变形模式和尺寸指数与面心立方镍纳米颗粒相似，表明缺陷的存在和颗粒形状对强度比晶体结构更重要。分子动力学模拟有助于理解无缺陷纳米粒子强度的位错机制。

以前对无缺陷纳米粒子的研究集中在纯金属上。同时，大多数技术应用使用合金而不是纯金属。合金化是常规冶金中提高材料强度的标准方法。在块状合金中，溶质原子充当钉扎中心，阻碍位错运动并增加强度。然而，合金化对纳米粒子成核控制变形的影响在很大程度上仍然未知。在变形的弹性阶段积累的巨大弹性能可以推动新成核的位错高速穿过粒子。尚不清楚传统的固溶硬化机制能否在如此极端的条件下运行。此外，溶质可以通过影响位错成核过程来影响颗粒强度。然而，溶质对无缺陷金属纳米颗粒强度的影响从未通过实验或模拟进行过研究。

钴在高温下在催化裂化镍中表现出无限的溶解度。这使我们能够集中研究不受沉淀硬化和其他合金强化机制影响的固溶效应。基于对大块镍钴合金和镍钴合金线的了解，可以预期钴的加入会增加纳米颗粒的强度。事实上，镍钴合金在整体形式和线材形式上都完全遵循经典的固溶硬化模式。直径为1mm的退火钢丝的屈服应力从纯镍的47.7MPa增加到Ni-0.3Cowt.%合金的68.3MPa，流动应力从176MPa增加到262MPa。分子动力学模拟预测，Ni-Co纳米线的强度在添加0.05至0.10摩尔分数的Co后增加到约10GPa。

与这一预期相反，以色列理工学院的EugenRabkin和美国乔治·梅森大学的YuriMishin等人发现无缺陷镍钴纳米粒子的强度实际上随着钴的加入而降低，产生违反直觉的溶质软化效应。分子动力学模拟表明，软化是由颗粒近表面区域局部分解剪切应力的统计变化增加引起的，触发了*位错的早期成核。同时，我们表明颗粒的韧性随着钴的加入而增加，产生了强度和韧性的组合，这对于技术应用是有吸引力的。相关研究成果以题“Theimpactofalloyingondefect-freenanoparticlesexhibitingsofterbuttougherbehavior”发表在Naturecommunications上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22707-x

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