金属材料强度国家重点实验室

        西安交大作为第一单位完成的论文“A new regime for mechanical annealing and strong sample-size strengthening in body centred cubic molybdenum”11月22日在《自然—通讯》杂志（Nature Communications, 10.1038/ncomms1557)上在线发表。该论文是我校材料学院金属材料强度国家重点实验室“微纳尺度材料行为研究中心（CAMP-Nano）”(http://nano.xjtu.edu.cn)博士生黄玲、李庆杰，在单智伟教授、李巨教授（美国麻省理工学院终身教授）、马恩教授（美国约翰霍普金斯大学终身教授）以及孙军教授的共同指导下完成的，该论文也是CAMP-Nano成立两年以来在《自然》及其系列期刊上发表的第三篇文章。

       本研究发现在体心立方单晶（BCC）钼中也存在与面心立方（FCC）相类似的“机械退火”现象，从而颠覆了人们此前关于体心立方结构金属的共识；同时，作者们还发现金属材料中普遍存在的尺寸效应本身也存在尺寸效应，并提出模型合理地解释了所观察到的现象。 

      “机械退火”的概念是由单智伟教授及合作者在2008 年首次提出来的（Shan et al., Nature Materials, 2008），它是指在室温条件下，由于外加应力/应变的作用而使得微纳尺度单晶镍中位错密度显著降低甚至完全消除的现象。此后，该现象在多种面心立方（FCC）晶体中得到验证。但是，同期的研究表明：1）相对于FCC金属而言，BCC 材料在塑性变形中的尺寸依赖性要弱的多；2）计算机模拟结果发现BCC金属的螺位错存在自增殖现象；3）在所开展的所有关于BCC金属的实验研究中都没有发现“机械退火”的现象。基于以上事实，人们普遍认为BCC金属中应该不存在“机械退火”的现象，并且其根源在于其位错芯结构的不同，BCC金属中螺位错的运动速度要远小于刃位错。由于位错的极限运动速度是声速，因此一个非常令人感兴趣的科学问题是：在超高应力作用下，BCC金属中螺位错和刃位错的运动速度的差异是否能够大大缩小， 甚至相接近？如果是，BCC金属中就应该存在“机械退火”的现象，同时其流变应力的尺寸依赖性也会提高到FCC金属的水平。

       本工作首先采用分子动力学模拟确认了高应力的确可以使BCC金属中螺位错和刃位错的运动速度变得相当。然后根据金属材料中普遍存在的晶体尺寸减小带来的“越小越强”的规律，利用聚焦离子束加工出了一系列尺度远小于此前研究范围的单晶钼(Mo)微纳柱体，并系统地研究了它们的压缩力学行为：结果发现在高应力作用下，“机械退火”的确能在BCC金属Mo中发生，从而澄清了此前研究中关于BCC金属材料中不会发生“机械退火”的不正确说法；验证了伴随“机械退火”现象的发生，尺寸效应本身也具有尺寸效应，即直径在75—200纳米范围内的柱体材料强度尺寸效应三倍于200纳米以上的；基于试验结果所提出的理论模型不仅解释了BCC和FCC金属材料强度尺寸效应的不同，而且解释了为什么BCC金属材料强度的尺寸效应本身会有尺寸依赖性。

       因为材料行为尺度效应是纳米科技（比如说MEMS/NEMS器件、金属连接线、抗辐照多层膜等的高性能长寿命设计等）的基础，而“机械退火”则是一种新近发现而且具有普适性的现象，上述研究成果期望引起和激发纳米科技领域研究团体的广泛关注和兴趣；同时，该研究成果也将为微纳米器件的设计者们提供坚实的实验数据和理论指导。该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、973计划项目和111计划项目的资助。

       论文链接：http://www.nature.com/ncomms/journal/v2/n11/full/ncomms1557.html

       文章作者：材料学院
       责任编辑：吉康敏