1. 简介
通过塑性变形诱导晶界（GB）弛豫并伴随热稳定性提升的现象，已在多种晶粒尺寸低于临界尺寸的金属中观察到。
本研究通过表面机械研磨处理（SMGT）制备了梯度纳米晶Cu-Ni和Cu-Al合金样品，系统探究了堆垛层错能（SFE）对晶界弛豫及热稳定性的影响。结果表明，对于所有合金，当晶粒尺寸从亚微米级降至约70 nm时，热稳定性均随晶粒尺寸减小而降低。然而，在70 nm以下，观察到两种截然不同的热稳定性-晶粒尺寸依赖关系：
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高SFE合金（Cu-10Ni与Cu-5Ni）：其SFE高于纯Cu，热稳定性随晶粒尺寸减小而升高，与纯Cu行为一致。 -
低SFE合金（Cu-10Al与Cu-5Al）：其SFE低于纯Cu，热稳定性随晶粒尺寸减小先升高后降低，并在特定尺寸（如Cu-10Al的45 nm和Cu-5Al的60 nm）出现峰值。
上述现象归因于以不全位错为主导的塑性变形诱导的晶界弛豫。不同Cu合金中晶界弛豫行为的差异，明确揭示了其对SFE的依赖性——SFE通过主导变形机制（如全位错、不全位错或孪晶）调控晶界弛豫程度，进而影响热稳定性。
2. 文章亮点
1. 堆垛层错能（SFE）对晶界弛豫的调控机制
首次系统揭示了SFE通过主导变形机制（全位错、不全位错或孪晶）调控纳米晶Cu合金中晶界弛豫程度，进而影响热稳定性的规律。高SFE合金（如Cu-Ni）与低SFE合金（如Cu-Al）表现出截然不同的晶粒尺寸-热稳定性关系。
2. 临界晶粒尺寸的发现与机制解析
明确了约70 nm的临界晶粒尺寸，低于此尺寸时，高SFE合金热稳定性随晶粒减小而升高，而低SFE合金则呈现先升后降的峰值行为（如Cu-10Al在45 nm处峰值），归因于不全位错与孪晶竞争主导的弛豫过程。
3. 梯度纳米结构制备与原位表征结合
通过表面机械研磨处理（SMGT）制备梯度纳米晶样品，结合原位退火与显微分析，直接观测到晶界能量降低（如Cu-10Al中45 nm晶粒的晶界能降至0.17 J/m²），为设计高稳定性纳米合金提供了实验依据。
3. 研究背景
纳米晶金属相较于粗晶金属表现出更高的强度和硬度，但其热稳定性较低，这源于大量高迁移率的晶界（GBs）存在。目前提升纳米晶金属热稳定性的策略主要有两种：晶界偏析（化学策略）和晶界弛豫（晶体学策略）。溶质在晶界的偏析可通过降低晶界过剩能来减少GB迁移的热力学驱动力，或通过钉扎GB运动从动力学上提升稳定性。例如，Ti偏析可提高纳米晶W的热稳定性，Mo偏析可改善纳米晶Ni的稳定性和硬度。
另一种稳定晶界的方式是晶界弛豫。Zhou等发现，通过塑性变形制备的纳米晶Cu和Ni中，当晶粒尺寸低于临界值时，晶界可通过自主弛豫实现稳定。该临界尺寸对应变形机制从全位错主导向不全位错主导的转变。不全位错会诱导晶界结构弛豫，从而显著提升纳米晶的热稳定性。根据Orowan关系，位错环扩展所需剪切应力为（为剪切模量，为位错伯氏矢量）。当晶粒尺寸低于临界值时，变形分切应力不足以驱动全位错扩展，变形机制转为不全位错主导，表现为晶界发射的层错和孪晶，通过晶界解离使GB弛豫至低能态。
除晶粒尺寸外，金属的塑性变形机制和位错行为还与其堆垛层错能（SFE）密切相关。在粗晶金属中，低SFE的FCC金属更易发生孪生。研究表明，纳米晶金属的变形机制同样受SFE调控。例如，24 nm晶粒的纳米晶Al（高SFE）中主要形成全位错，而Pd（低SFE）中则通过晶界发射Shockley不全位错产生层错。Zhou的结果暗示SFE可能在晶界弛豫中起关键作用。
为阐明SFE对纳米晶金属晶界弛豫的影响，本研究选取不同成分和SFE的Cu合金（纯Cu的SFE约45 mJ/m²）进行对比：Cu-5Ni和Cu-10Ni的SFE分别为50和55 mJ/m²，而Cu-5Al和Cu-10Al的SFE显著降低至约25和12 mJ/m²。值得注意的是，Ni和Al在Cu中均无明显的晶界偏析倾向。
4. 图文解析
5. 文章结论
通过表面机械研磨处理（SMGT）在液氮温度下制备了梯度纳米晶Cu-Ni和Cu-Al合金，用于研究热稳定性随晶粒尺寸和堆垛层错能（SFE）的变化规律。
对于SFE高于纯Cu的Cu-Ni合金，当晶粒尺寸从亚微米级减小至约70 nm时，晶粒粗化温度逐渐降低；当晶粒尺寸进一步减小时，反而升高，与纯Cu的行为一致。在70 nm以下的晶粒中观察到高比例的低能态晶界（如孪晶界和其他CSL界面）。Cu-Ni合金的逆热稳定性源于晶界弛豫，其机制与塑性变形中主导变形机制从全位错滑移转变为不全位错有关，这一转变发生在临界晶粒尺寸以下。
对于SFE低于纯Cu的Cu-Al合金，当晶粒尺寸从亚微米级减小至约70 nm时，逐渐降低；但在更小尺寸时（Cu-10Al为45 nm，Cu-5Al为60 nm），出现峰值。这种热稳定性特征与晶界弛豫程度的变化相关，而弛豫程度受塑性变形中主导机制（全位错、不全位错或孪晶）竞争的影响。
本研究揭示了不同SFE的合金表现出不同的晶界弛豫行为，为设计高稳定性纳米合金提供了理论依据。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118256
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《中科院金属所《Acta Mater》突破：堆垛层错能如何操控纳米晶铜合金晶界弛豫？》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/46kOXZLh9BpXPs2usjigrA
