纳米孪晶金属中发现位错形核可主导塑性变形过程

晶格位错的形核和运动是多晶体材料的基本塑性变形机制。在传统多晶金属材料中位错的形核增殖和储存空间很大，因此其塑性变形过程往往由晶格位错的运动所决定，而位错形核通常不是塑性变形过程的主导因素。阻碍晶格位错运动的缺陷(如晶界或第二相颗粒等)越多，金属材料的强度则越高。然而对于纳米金属材料(晶粒尺寸在纳米量级)，这一基本规律受到挑战，即由于晶粒内部空间减小和晶界的约束作用，使晶格位错的形核及运动在不同程度上均受到严重抑制，位错形核及运动在材料塑性变形过程和力学行为中的作用将呈现新的特征。最近，美国布朗大学高华健教授研究组、美国阿拉巴马大学魏宇杰教授与中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢磊研究员和卢柯研究员合作，利用大规模分子动力学计算模拟，发现在纳米孪晶金属中的位错形核可主导材料的塑性变形过程，该成果发表于2010年4月8日出版的《自然》杂志上(Nature, 464 (2010) 877)。

    2004年，卢磊研究组发现了具有超高强度和导电性的新一类纳米结构金属——纳米孪晶金属铜(Science, 304 (2004) 422)，随后于2009年又发现了纳米孪晶铜中的极值强度和超高加工硬化效应(Science, 323(2009)607)，这些结果表明，纳米孪晶结构金属材料具有独特的塑性变形机制和力学行为。基于上述实验发现，新的合作研究利用大规模分子动力学模拟(1.4亿个原子)和位错形核分子动力学理论研究了纳米孪晶结构金属材料的变形机理，发现当孪晶片层厚度减小到临界值时出现极植强度，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。该计算模拟结果成功地解释了纳米孪晶Cu样品中的极值强度和临界孪晶片层厚度的关系，同时进一步表明了该极值强度与晶粒尺寸的依赖关系，即晶粒尺寸越小，临界孪晶片层尺寸也越小，从而材料的极值强度越高。

    该研究从计算模拟的角度揭示了纳米孪晶结构金属中位错形核源主导的特殊塑性变形机理，这不仅深化了人们对金属材料力学行为及变形机理的纳米尺寸效应的理解，同时也对纳米孪晶结构金属材料的基础研究和实际应用具有重要的理论价值。