一年12篇Nature&Science，这个传统领域迎来了顶刊爆发

金属材料的研究历史十分悠久，在材料研究范围内属于传统的研究方向。2020年，这个传统的研究方向一共发表了12篇Nature&Science。这篇文章为大家汇总了金属材料在2020年发表的12篇NS。

1.中科院金属所李毅研究员与剑桥大学A. L. GreerNature：改良的块状金属玻璃的应变硬化和剪切带抑制

应变硬化（随塑性应变而增加的流变应力）是工程合金力学行为中最重要的现象，因为它可以确保流变离域，增强拉伸延展性并抑制灾难性的机械故障。金属玻璃（MGs）缺乏常规工程合金的结晶度，并且其某些性能（例如更高的屈服应力和弹性应变极限）相对于其晶体同类产品得到了极大改善。在所有结构材料中，MG都具有很高的断裂韧性，并且具有最高的“损伤容限”（定义为屈服应力和断裂韧性的乘积）。然而，由于它们显示出应变软化而不是应变硬化，因此在结构应用中使用MG受到了很大的限制。这会导致塑性流在剪切带中的极端定位，并与张力的早期灾难性破坏有关。尽管将MG再生（在较高的冷却速率下将其能量提高至玻璃形成的典型值）会降低其屈服应力（这可能使应变硬化），但尚不清楚是否可以在散装样品中实现足够的再生，同时保持其强度玻璃状结构。

中科院金属所李毅研究员与剑桥大学A. L. Greer显示了室温下三轴压缩下的塑性变形可以使大量的MG样品恢复活力，从而能够通过先前在金属状态下未曾观察到的机制进行应变硬化。这种转变的行为在正常的单轴（拉伸或压缩）测试中抑制了大块样品的剪切带，防止了灾难性故障并导致更高的最终流动应力。再生的MG在室温下稳定，并显示出异常有效的应变硬化效果，大大增加了它们在结构应用中的潜在用途。

文献链接：

Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2016-3

2.重庆大学黄晓旭和北京高压科学研究中心陈斌Nature:超细晶粒金属的高压强化

金属的强度随着晶粒尺寸的减小而增加，这种关系在临界晶粒尺寸约为10至15纳米时会破裂。随着晶粒尺寸的减小超过此点，变形的主要机理从位错介导的过程切换到晶界滑动，从而导致材料软化。在以前的一种方法中，通过松弛和钼偏析稳定晶界被用于防止晶粒尺寸小于10纳米的镍钼合金中的这种软化作用。

重庆大学黄晓旭和北京高压科学研究中心陈斌使用金刚石砧盒结合径向X射线衍射对各种平均晶粒度的纯镍样品的屈服应力和变形组织进行原位跟踪。高压实验表明，晶粒尺寸从200纳米降至3纳米的样品不断增强，而晶粒尺寸小于20纳米则增强（而不是减小）。文章在3纳米颗粒大小的样品中获得了约4.2吉帕斯卡的屈服强度，是商业镍材料的十倍。在此处研究的压力范围内，晶粒尺寸为3纳米的镍获得的最大流应力为10.2吉帕斯卡。作者看到最小尺寸的金和钯样品中存在类似的压缩强化模式。模拟和透射电子显微镜显示，在3纳米大小的镍中观察到的高强度是由强化机制的叠加引起的：部分和完全位错硬化以及抑制晶界可塑性。这些见解有助于通过材料工程不断寻求超强金属。

文献链接：

High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2036-z

3.德国马普所Gerhard Dehm&Christian H. Liebscher和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Timofey Frolov:元素金属中晶界相变的观察

晶界（微晶之间的界面，GB）结构的理论由来已久，而GBs经历相变的概念是50年前提出的。基本假设是，对于不同的GB方向，存在多个稳定和亚稳态。最近提出了术语“复杂化”来区分不同平衡热力学性质的界面状态。仿真提供了对界面相行为的深入了解，并表明GB跃迁可以在许多材料系统中发生。然而，直接实验观察和元素金属中GBs的转化动力学仍然存在问题。

德国马普所Gerhard Dehm&Christian H. Liebscher和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Timofey Frolov展示了元素铜中对称和不对称[111]倾斜GBs的原子级GB相共存和转换。原子分辨率成像揭示了在进化的GB结构中，在Σ19bGBs处两个不同结构的共存。作者还使用分子动力学模拟来探索这些GB相的共存和转化动力学。结果证明了GB相如何被动力学捕获，从而实现了原子级的室温观察。这个工作为金属GB相变的原子级原位研究铺平了道路，以前通过对异常晶粒长大，非阿伦尼乌斯型扩散或液态金属脆化的影响，以前只能间接检测到这种情况。

文献链接：

Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2082-6

4.埃因霍温工业大学Erik P. A. M. Bakkers：六角形Ge和SiGe合金的直接带隙发射

在通常的立方（菱形）晶格结构中的结晶硅在电子工业中占据了半个多世纪的历史。但是，立方硅（Si），锗（Ge）和SiGe合金都是不能有效发光的间接带隙半导体。数十年来，实现硅技术中IV组材料有效发光的目标一直遥不可及。埃因霍温工业大学Erik P. A. M. Bakkers展示了六角形Ge和SiGe合金的直接带隙发光。作者测量了一个亚纳秒，温度不敏感的辐射复合寿命，并观察到与直接带隙III-V族半导体相似的发射率。此外，作者证明，通过控制六角形SiGe合金的成分，可以在保持直接带隙的同时，在很宽的范围内连续调节发射波长。实验发现与从头算理论非常吻合。六角形SiGe体现了一种理想的材料系统，该系统可以在单个芯片上结合电子和光电功能，从而为集成设备概念和信息处理技术开辟了道路。

文献链接：

Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2150-y

5.美国加州大学伯克利分校Andrew M. Minor:短程有序及其对CrCoNi中熵合金的影响

传统的金属合金是元素的混合物，其中少数物种的原子如果低于其溶解度极限，则倾向于随机分布；如果高于其溶解度，则倾向于形成第二相。多元原理合金的概念最近扩展了这种观点，因为这些材料是金属元素通常等原子混合物的单相固溶体。这类材料由于其增强的机械性能而引起了极大的兴趣。它们通常被称为三元体系中的中熵合金，而在四元或五元体系中被称为高熵合金，因为它们具有高度的构象熵。但是，问题仍然是这些固溶体实际上有多随机，在计算模拟中建议使用短程有影响，但在实验中看不到。

美国加州大学伯克利分校Andrew M. Minor使用能量漂移的透射电子显微镜观察到的CrCoNi中熵合金中短程有序结构特征。这样数量级的增加会增加堆垛层错能量和硬度。这些发现表明，可以通过热机械加工来调整纳米级的局部有序度，从而为调节中熵和高熵合金的机械性能提供了新途径。

文献链接：

Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2275-z

6.美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Saad A. Khairallah:控制金属3D打印中相互依赖的中纳秒级动力学和缺陷生成

最先进的金属3D打印机有望彻底改变制造过程，但尚未达到最佳的操作可靠性。挑战在于控制复杂的激光-粉末-熔池相互依赖性（相互依赖）动力学。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Saad A. Khairallah使用了高保真度模拟，再加上同步加速器实验，以捕获中纳秒级的快速多瞬态动力学，并发现了新的由飞溅引起的缺陷形成机制，该机制取决于扫描策略以及激光遮蔽和驱逐之间的竞争。作者得出了稳定熔池动态并使缺陷最小化的标准，这将有助于提高构建可靠性。

文献链接：

Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing

Science,2020, 10.1126/science.aay7830

7.悉尼大学Julie M. Cairney&中信金属路洪洲:观察到氢在位错，晶界和沉淀处的表现

高强度钢的氢脆化是在可持续能源生产中使用这些钢的障碍。氢脆涉及多长度尺度上的氢-缺陷相互作用。但是，测量氢原子精确位置的挑战限制了对其的理解。热脱附光谱法可以识别氢的保留或捕集，但是数据不能轻易地与不同微观结构特征的相对贡献联系起来。悉尼大学Julie M. Cairney&中信金属路洪洲使用了低温传输原子探针层析成像技术来观察钢中特定微观结构特征下的氢。在富含碳的位错和晶界处直接观察氢为脆化模型提供了验证。在碳化铌和周围的钢之间的非相干界面处观察到的氢提供了直接证据，表明这些非相干边界可以充当俘获位点。该信息对于设计抗脆性钢至关重要。

文献链接：

Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates

Science,2020, 10.1126/science.aaz0122

8.中科院金属所卢柯和李秀艳:具有极细晶粒的多晶铜受约束的最小界面结构

金属通常以多晶固体的形式存在，由于存在无序的晶界，它们在热力学上是不稳定的。晶粒边界倾向于通过加热时的粗化来消除，或者当晶粒足够小时通过转变为亚稳态的非晶态来消除。通过实验和分子动力学模拟，中科院金属所卢柯和李秀艳发现了一种非常细粒度的多晶纯铜的另一种亚稳态。在通过应变将晶粒尺寸减小到几纳米之后，多晶中的晶界演化为受孪晶边界网络约束的三维最小界面结构。这种所谓的Schwarz晶体的基础的多晶结构即使在接近平衡熔点时也能抵抗晶粒粗化。多晶样品还显示出在理论值附近的强度。

文献链接：

Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains

Science,2020, 10.1126/science.abe1267

9.加州大学圣芭芭拉分校Daniel S. Gianola：难熔多主元素合金中的位错通路的多样性

耐火多原则元素合金（MPEA）是满足侵蚀性结构应用需求的有前途的材料，但需要根本不同的途径来适应这些合金的体心立方（bcc）变体中的塑性变形。加州大学圣芭芭拉分校Daniel S. Gianola显示了bcc MPEA MoNbTi中均匀塑性变形性和强度的理想组合，这是由位错必须通过的坚固原子环境实现的。作者对位错运动和原子计算的观察揭示了非螺丝字符位错的意外优势，以及众多用于错位滑行的滑移面。这种行为为解释类似合金异常高温强度的理论提供了依据。这个研究结果为合金设计策略提供了一种在缺陷识别方面的观点，这些策略旨在针对能够在整个温度范围内工作的材料进行设计。

文献链接：

Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy

Science,2020, 10.1126/science.aba3722

10.东北大学Toshihiro Omori:临界应力温度依赖性几乎恒定的铁基超弹性合金

形状记忆合金变形后可恢复其原始形状，从而使其可用于各种特殊应用。超弹性行为始于临界应力，对于金属形状记忆合金，临界应力会随着温度的升高而增加。温度依赖性是一个常见特征，通常会限制在应用中使用金属形状记忆合金。东北大学Toshihiro Omori发现了可以优化临界应力的铁基超弹性合金系统。这种Fe-Mn-Al-Cr-Ni合金具有可控的温度依赖性，取决于铬含量，温度依赖性从正变负。这种现象包括温度不变的应力依赖性。对于一系列涉及较大温度波动的外太空应用和其他应用，此行为非常理想。

文献链接：

Iron-based superelastic alloys with near-constant critical stress temperature dependence

Science,2020, 10.1126/science.abc1590

11.美国麻省理工学院Cemal Cem Tasan：头发如何使钢变形

用于锋利边缘或工具的钢通常具有马氏体显微组织，高碳化物含量和各种涂层，以表现出高硬度和耐磨性。但是，在切割柔软得多的材料（例如人的头发，奶酪或土豆）时，它们实际上变得不可用。尽管这是日常观察，但由于相互作用材料的结构复杂性以及它们共同变形的复杂边界条件，人们对潜在的物理微观机理了解甚少。为了消除这种复杂性，美国麻省理工学院Cemal Cem Tasan使用两种微机械测试装置进行了中断测试和原位电子显微镜切割实验。作者对这些发现进行了分析和数值研究，揭示了板条马氏体结构的空间变化在导致明显磨损之前导致II-III混合模式开裂现象起着关键作用。

文献链接：

How hair deforms steel

Science,2020, 10.1126/science.aba9490

12.香港城市大学刘锦川:具有纳米级无序界面的超高强度和韧性超晶格合金

在高温下具有高强度的合金对于包括航空航天在内的许多重要行业都至关重要。具有有序的超晶格结构的合金为此目的是有吸引力的，但是通常遭受延展性差和晶粒粗化的快速困扰。香港城市大学刘锦川发现纳米级无序界面可以有效地克服这些问题。界面无序是由多元素共偏析驱动的，该元素在相邻的微米级超晶格晶粒之间形成了独特的纳米层。该纳米层充当可持续的延展性来源，通过增强位错活动性来防止脆性晶间骨折。这种超晶格材料具有1.6吉帕的超高强度，在环境温度下的拉伸延展性为25％。同时，在高温下实现了可忽略的晶粒粗化，并具有出色的抗软化性。设计相似的纳米层可以为进一步优化合金性能开辟道路。

文献链接：

Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces

Science,2020, 10.1126/science.abb6830

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