對(duì)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(shí)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(cuò)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(shí)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(gè)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(yàn)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(jí)厚度并具有小角晶界的層片結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(cuò)增殖及儲(chǔ)存位錯(cuò)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)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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