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机械工程学会摩擦学分会 润滑材料全国重点实验室 摩擦学学报
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学科探索

突破核电安全瓶颈！西交大孙军院士团队揭秘 Cr 涂层高温氧化核心机制，登上《Acta Materialia》 2026-01-21 ; ; 自从2011年福岛核电站爆炸发生灾难性事故后，事故容错核燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）的研发成为核电领域下一代先进核材料的重要方向。Cr涂层因其优异的耐腐蚀性、中子辐照耐受性、与锆基体良好的结合性等特点备受关注，而且Cr涂层不改变现有核燃料组件结构和制备工艺，成为目前最具经济性和可行性的事故容错核材料的包壳涂层材料。已有的研究多关注Cr涂层的氧化产物以及ZrO2形成后的涂层失效机制，而忽视了氧化中Cr涂层中的组织结构演变及其对氧化进程的作用，尤其关于Cr涂层在氧化过程中的孔洞形成与演化规律少有研究。 西安交通大学金属材料强度全国重点实验室孙军院士团队通过原位热重分析、多尺度微观表征与相场模拟相结合的系统研究方法，揭示了微孔主导Cr涂层高温氧化动力学转变的核心机制，为评估Cr涂层在冷却剂损失事故（Loss-Of-Coolant Accident，LOCA）条件下的结构完整性和防护性能提供了全新的视角。 研究发现Cr涂层在高温水蒸气环境中随时间延长的氧化增重行为呈现清晰的三阶段动力学特征（图1）：第一阶段（0–20 min）为抛物线型氧化增重，Cr表面快速形成致密Cr2O3层，氧化速率由离子扩散控制；第二阶段（20–160 min）出现偏离抛物线的形式，Cr2O3层中因阳离子空位聚集形成微孔，加速氧离子向内扩散，氧化模式从“外部生长”转向“内部生长”；第三阶段（≥240 min）为加速线性氧化，Zr向外扩散与Cr2O3发生氧化还原反应，伴随柯肯达尔效应形成Cr/Zr界面孔洞（图2），涂层剥离导致氧化速率急剧上升。 图1 在1100 ℃水蒸气中氧化后试样的形貌与增重曲线:(a) Cr涂层Zr-1Nb合金宏观形貌，(b) Zr-1Nb、Cr涂层Zr-1Nb和纯Cr金属试样的氧化增重曲线 图2 在1100 ℃水蒸气中氧化160 min后Cr2O3及Cr涂层中孔洞结构特点: (a)，(a1),(b),(b1) 纳米级和微米级孔洞结构，(c) Cr2O3-Zr氧化还原反应引发Cr涂层晶界处形成孔洞，(d) 柯肯达尔效应导致Cr涂层/Cr-Zr扩散层界面形成孔洞 这种独特的动力学转变机制，核心源于“空位聚集-微孔合并-结构失效”的连锁效应：Cr涂层的小尺度特征尺寸（微米尺度的涂层厚度和晶粒尺寸）导致背应力升高，抑制界面位错运动，降低空位湮灭效率，促使Cr2O3内部形成微孔（图3）；微孔不仅阻碍Cr阳离子向外扩散，还为氧离子提供快速扩散通道，引发氧化模式转变；后续Zr原子扩散引发的氧化反应与界面孔洞粗化，进一步破坏了涂层完整性，最终导致加速氧化。研究团队通过相场模拟，直观地演示了微孔演化与氧化动力学的耦合过程，进一步验证了微孔对涂层氧化行为的核心调控机制（图4）。 图3 蒸气环境下Cr2O3孔洞形成机制。(a) 阳离子空位聚集，(b)-(c) 高背应力的Cr涂层导致Cr/Cr2O3界面处空位湮灭效率降低引发孔洞形成，(d) 孔洞阻止金属阳离子向上扩散，(e) 孔洞均匀化过程。 图4 Cr涂层从抛物线到直线氧化增重阶段Cr2O3孔洞结构演变的相场模拟：(a) 氧化膜结构，空位浓度和氧化位点的协同演化过程（模拟视频切片），(b) 外生长和内生长氧化膜厚度随时间变化，(c) 模拟的Cr涂层从抛物线转折到直线阶段的氧化增重曲线。 本研究首次明确微孔也是Cr涂层高温氧化动力学转变的关键因素。为核反应堆ATF材料的涂层设计、寿命评估提供了关键结果和依据。同时，研究融合实验表征与相场模拟的研究范式，为Cr涂层高温氧化机制解析提供了新参考。 本研究成果近期以《微孔主导Cr涂层的高温氧化行为：动力学分析与相场模拟》（Micropores governed high-temperature oxidation behavior of Cr coatings: kinetics analysis and phase-field modeling）为题发表在国际材料科学与工程领域综合类著名学术期刊《材料学报》（Acta Materialia）上。西安交通大学材料学院博士生邓鉴玺和左家栋副教授为论文共同第一作者，通讯作者为左家栋副教授、梁传鑫博士后和孙巧艳教授，孙军院士和宋忠孝教授为项目核心指导者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文唯一通讯单位。研究工作得到国家自然科学基金（U21B2057、52301168、52394163）等项目资助，测试表征得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院实验技术中心的大力支持。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121931 ;
金属材料界大突破！中科院建立异质边界密度与强度定量关系，斜率高达 2018 MPa・μm 2026-01-21 ; 导读：尽管异界强化已知能增强材料强度，但其准确量化仍是一个持续的挑战。本研究中，我们独立定制了异质边界密度，并建立了异构铜异质边界密度与屈服强度之间的直接定量关系。该方法使异质边界强化得以可靠量化，揭示了异质边界密度与屈服强度之间的正线性相关，斜率约为2018 MPa·μm，代表了异质边界的强化效能。进一步分析显示，异界强化可能占总屈服强度的40%至56%。值得注意的是，当结构域/晶粒尺寸达到数十微米时，异质边界的强化效应比传统晶界强化一个数量级。本研究为揭示异质边界强化提供了定量框架，并强调了其在异构材料中的主导作用。 现代工业的持续进步带来了对具有优越机械性能的金属材料日益增长的需求。在过去几十年里，为了满足这一需求，开发了多种强化效应，包括固溶强化、位错强化、晶界强化和降水强化。对此类强化效应的理解和评估，显著推动了金属材料机械能的提升和基础理解 。例如，引入晶界在阻碍位错运动方面被证明特别有效，从而增强材料强度。晶界强化通过著名的霍尔-佩奇关系定量描述，成为理解金属机械性能的基础框架。 最近，一种名为异质边界（HB）强化的新型强化效应，在由硬域和软域组成的异质结构（HS）材料中发现，因其实现强度-延展性协同而受到关注;。一个代表性例子是异构Ti，由超细结构（UFS）结构域和静态再结晶（SRX）结构域组成，既具有UFS Ti的高强度，又具有粗粒Ti的延展性。其优越的机械性能归功于硬域和软域之间的反核。这些HBs能够容纳异质域之间的应变不兼容，导致应变梯度和几何必要位错（GND）的累积。GND可以影响HB附近的应力场，增强局部应力，有效强化材料。这种类型的氢氧化物强化已在多种金属系统中成功验证。 ; 此前对HB强化的评估主要依赖间接方法，特别是载荷-卸载-再装载（LUR）测试来测量异质变形诱导（HDI）应力。该方法假设HB强化大致等同于GND引起的HDI应力。评估的HDI值通常占异构材料屈服强度的60∼70%，暗示氢能增强对抗压的贡献占主导。然而，新兴证据对该评估的准确性提出了质疑。值得注意的是，研究表明HDI应力与屈服强度的比值始终较高，且对氢盐密度不敏感。例如，在层压HS材料中，即使在低密度的氢碳密度下，该比值可达到高达60%，且随着高压密度的进一步增加，变化极小，否则整体屈服强度会显著增强。 这些观察对基于HDI应力的HB强化评估方法的准确性和可靠性提出了质疑。不准确的一个原因是测得的HDI应力包含了由于与HBs无关的一般微观结构不均匀性产生的多余组分，从而导致屈服强度比较高。在均质材料中也测量到了相当大的HDI应力，在不存在异质边界的材料中。更根本的原因是，基于HDI的应力方法实际上并未测量HB对HS材料屈服强度的增强效应，而是仅基于HB强化等于HDI应力的先行假设，考虑HDI应力。 这些案例凸显了我们理解中的一个关键空白：异质边界的内在强化效应尚不明确，而基于HDI压力的传统方法未能直接揭示HB的强化效应。更严谨的方法是建立HB结构特征（如HB密度）与整体屈服强度之间的直接定量相关，类似于Hall-Petcch关系，而不依赖理论假设。这种方法为量化 HB 强化提供了明确的前进路径，但仍面临相当大的挑战。主要挑战还在于异构材料的整体屈服强度受多种相互依赖因素影响，包括晶体学结构、黑晶错位、体积分数、屈服强度，以及异质域的应变硬化能力。传统材料制造方法面临重大挑战，因为在HS样品中定制HB结构特征不可避免地改变其他微观结构因素或引入新的缺陷，从而对强度产生复杂影响。因此，以往研究仅限于报告定性或半定量趋势，例如常见的HBs增加总体增强力量。显然，关于HB内在强化效应的清晰定量理解尚未建立。 遵循我们已建立的动态塑性变形（DPD）及后续退火调节HB密度的新方法，本研究成功地在异构铜中广泛范围内调整HB密度，并观察到对屈服强度产生相应显著影响。系统性的微观结构和力学分析将氢盐密度对强度的影响与其他因素耦合。通过直接关联HB密度与屈服强度，我们建立了一个新颖且可靠的研究框架，能够定量揭示HBs的内在强化效能。此外，我们比较了HBs与传统晶界的增强效应，阐明了HB强化的优越效果和独特机制。 ; 该研究以 Revealing the hetero-boundary strengthening of heterostructured copper发表在 Acta Materialia; 图 1 SEM-ECCI图像显示了HS-38（a）、HS-24（b）和HS-20（c）样品的典型异质结构，异质边界（HBs）以黄色实线表示。（d） UFS域大小，（e） 单位面积HB长度（L一个以及 （f） SRX 域的体积分数，作为统计指标的函数绘制。 图 2 HS-38（a1-a2）、HS-24（b1-b2）和HS-20（c1-c2）样品中UFS域的明场透射电子显微成像（a1-c1）及对应的{110}极点图（a2-c2） 图 3 HS-38（a1-a3）、HS-24（b1-b3）和HS-20（c1-c3）样品中SRX结构域的SEM-ECCI图像（a1-c1）、统计晶粒尺寸分布（a2-c{110}2）和极点图（a3-c3）。 图 4 EBSD逆极图（IPF）映射（a1-c1）及HS-38（a1-a2）、HS-24（b1-b2）和HS-20（c1-c2）样品中异质边界（a2-c2）的错位角分布。异质边界用白色实线表示，位于（a1-c1）。 图 5 HS-38、HS-24和HS-20样品的拉伸工程应力-应变曲线。 图 6 HS-38、HS-24和HS-20样品中UFS和SRX区域的微硬度测量：（a）拉伸前，（b）拉向颈缩后。 本研究定量揭示了异构铜中异质边界的固有强化效应。通过制备一系列不同密度的 HB 样品（约 4.1–10.9 × 10⁻² 微米）-1在保持组成区域及HB构型的微观结构和机械性质一致的同时，我们分离出HB密度对屈服强度的影响。HB密度与屈服强度之间存在强线性相关，增强效能约为2018兆帕微米。氢氧化物强化贡献占总屈服强度的40–56%，凸显了其在异构铜强化中的主要作用。与传统边界相比，氢氧化氢强化在微米尺度上表现出近一个数量级的强化效应。这些发现为HB强化的定量评估提供了坚实的框架，并为高性能异构材料的微观结构设计提供了指导。
《Acta Materialia》：退火后反而更硬？揭秘核反应堆锆合金的“反常硬化”之谜 2026-01-06 ; 研究背景 在核能领域，锆合金一直扮演着关键角色——核燃料棒的包壳材料。长期服役于高温、高压与强烈中子辐照的严苛环境，大量空位、间隙原子等点缺陷产生并逐渐演化成位错环、层错四面体、空洞等缺陷。这些缺陷与材料中的位错发生相互作用，导致辐照硬化、应变局域化、辐照生长与蠕变等关键性能变化，严重影响反应堆构件的安全与寿命。通常，辐照硬化会导致材料脆化，而后辐照退火可通过缺陷湮灭部分恢复材料性能。然而，在六方密排结构（HCP）的锆合金中，却观察到一个反常现象：中子辐照后的锆合金在400°C以上退火后硬度不降反升。该现象与传统认知相悖，其机理一直未明，却直接影响锆合金包壳在停堆干燥阶段以及长期贮存中的力学行为与安全评价。 在锆合金中，辐照主要产生两类位错环：〈a〉型位错环（位于柱面，伯氏矢量;1/3⟨11-20⟩）和〈c〉型位错环（位于基面，伯氏矢量;1/6⟨20-23⟩）。其中，〈a〉位错环在较高温度下会粗化或湮灭，导致硬化略有下降；而〈c〉位错环在服役温度下非常稳定。由于〈a〉位错环通常被认为是辐照硬化的主要来源，此前学者提出几种假设解释该反常硬化：高温下〈a〉位错环或纳米空洞的短期生长、溶质原子（Fe、Sn、Cr）在〈a〉位错环偏聚、或杂质（氧/氢）与〈a〉位错环相互作用等。然而，由于辐照缺陷表征的困难以及合金元素作用的复杂性，这些机制尚未得到清晰验证。 研究内容 为澄清该反常硬化的本质机理，西安交通大学联合大阪大学研究人员选用高纯锆（99.9%）排除合金元素干扰，通过原位高温纳米压痕、原位透射电镜退火与原子尺度模拟相结合的手段，系统研究了退火过程中缺陷结构的动态演变及其对力学行为的影响。 研究发现：在500°C退火并冷却至室温后，辐照锆的硬度比400°C退火态提升约25%，与中子辐照锆合金中观察到的反常硬化趋势一致。在400–500°C退火过程中，原本平铺于基面的二维〈c〉型位错环逐渐相互连接，形成具有台阶状连接的三维弯折构型。分子动力学模拟显示，相邻〈c〉环端点处的部分位错可在热激活下沿锥面滑移、相遇并重组，逐步构建出台阶连接，最终形成稳定的三维弯折结构。这些三维弯折的〈c〉环通过台阶结构显著阻碍〈a〉型位错的滑移，其强化效果比平面〈c〉环提高约50%，直接导致宏观硬度上升。 研究意义 这一发现不仅解释了锆合金中的反常硬化现象，也为理解其他六方密排结构金属（如钛、镁等）在辐照与退火过程中的行为提供了新思路。从工程角度看，该机理对核用锆合金包壳在停堆、干燥及长期贮存阶段的力学性能预测与安全评估具有重要指导意义。通过调控微观缺陷构型，未来或可进一步优化锆合金的辐照性能与热稳定性，提升反应堆材料的安全裕度与使用寿命。 论文以《Kinked basal dislocation loops for anomalous annealing hardening in irradiated zirconium》为题发表在Acta Materialia, 2025。 全文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121366 图1.;辐照与退火后锆的硬度变化。;(a);在高真空腔室内使用原位纳米压痕进行硬度测试的方法示意图。左下角插图为纳米压痕后辐照纯锆的扫描电子显微镜图像。(b)离子辐照后的纯锆在400°C和500°C退火30分钟前后的硬度变化。 图2.;平面与三维〈c〉位错环的详细表征。;(a-d);同一区域内基面〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图像。红色和黄色箭头分别标记了在不同衍射矢量下同一位错环衬度。(e-g);同一区域内三维〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图像。(h);三维〈c〉位错环台阶高度的高分辨TEM图像。 ; 图3.;三维弯折〈c〉位错环的形成过程。;(a-e);基于分子动力学模拟得到的两个相邻〈c〉位错环之间的相互作用，导致了弯折〈c〉位错环的形成。;(f);弯折〈c〉位错环的演化过程示意图。;(g) 400°C时基面〈c〉位错环的高倍TEM图像。(h)在448°C退火后，这些平面〈c〉位错环演变为弯折结构。
高速凝固创造力学奇迹：MIT团队开发3D打印高强铝合金，强度提升五倍，硬度媲美7075！ 2025-12-26 ; 高强铝合金是航空航天、汽车及能源装备领域的关键材料。然而，传统高强铝合金（如Al7075）在激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造过程中极易产生热裂纹，且难以维持高强度与高塑性的平衡。近日，麻省理工学院（MIT）联合美德多家科研院校的联合团队在国际材料领域的权威期刊《Advanced Materials》发表了题为“Additively Manufacturable High‐Strength Aluminum Alloys with Coarsening‐Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification”的研究论文，在本论文中，研究团队提出：能否利用快速凝固下的非平衡条件，诱导形成稳定的亚稳相，从而兼顾强度、稳定性与可打印性，为此，他们聚焦于Al-Er-Zr-Y-Yb-Ni六元体系，设计出一种在快速凝固后能形成亚稳Al（23）Ni6M4（M=Er,Zr,Y,Yb）相、经时效后转变为抗粗化L12-Al3M相的新型高强铝合金。突破了长期困扰铝合金增材制造的“热裂敏感”以及强度与工艺适配性之间的矛盾，构建出具有优异抗粗化能力的纳米析出结构（强度提升五倍）。通讯作者为麻省理工学院的S. Mohadeseh Taheri-Mousavi博士和A. John Hart副教授。 文章链接： ;https://doi.org/10.1002/adma.202509507 【核心内容】 该研究的各合金成分的含量并非是凭空得来的，团队通过CALPHAD进行热力学计算，并结合集成计算材料工程与贝叶斯优化算法，最终确定了最佳合金成分为;Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni（at.%），经快速凝固与400℃×8h时效后，合金在室温下的抗拉强度达到395MPa，这一水平在目前增材制造铝合金中处于领先地位，已经可与传统锻造Al7075相当，更重要的是，团队经过系统的检测，确认打印样品无热裂缺陷且组织稳定，即这一性能具备充足的可重复性而非团队的研究特例，展示出可规模化制造的潜力。 【研究方法】 团队的核心目标是要设计出稳定性高且能够有效通过增材制造技术制备的高性能铝合金（性能要能够与传统锻造的铝合金相持平），整体研究采用的是计算模拟与实验验证的多尺度设计体系，通过CALPHAD热力学计算与计算统计，筛选出Er和Zr这两关键元素，结果表明其含量对L12相占比及粗化速率表现出显著调控作用。在此基础上，团队采用贝叶斯优化算法，将模型预测误差精准控制在3%以内，最终通过激光粉末床熔融（LPBF）制备模型预测出的合金，并对合金的热裂敏感性及力学性能完成了实验验证。 贝叶斯优化+ICME耦合设计流程图 【研究成果】 ① 快速凝固诱导亚稳相形成，实现从微米到纳米的强化相尺度转变 增材制造过程中特殊的快速凝固特点能够有效避免合金在制备时发生传统铸造中常见的宏观偏析，且这一特殊的热过程还能够诱导合金内形成微米级的Al-Ni-M（M=Er,Zr,Y,Yb）三元相，这些亚稳态三元相会在后续时效过程中进一步演变为稳定的纳米级L12-Al3M强化相。 快速凝固与缓凝固路径对比示意图 ② 纳米析出相结构稳定，具备卓越的抗粗化性能 室温下L12纳米析出物尺寸仅1-5 nm，体积分数占比达到了17%，在Er和Zr元素的协同作用下，L12相与基体间形成了低失配度的共格界面，抑制了合金在高温下的粗化，因此即使经过了在400℃×48h的长期时效处理后，合金的微观结构与力学性能均保持稳定。 原子分辨HAADF-STEM像及L12析出相的元素分布图 Er/Zr浓度对结构参数影响及Ni调控相分数演变 ③ 机器学习助力高通量合金反向设计，快速锁定最优可打印成分 团队借助神经网络与贝叶斯优化算法，省略了大量的试错过程，大大提高了开发的效率，模型预测的Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni合金，其粗化指标较基准合金降低71%，L12相含量提升40%，且在Scheil模拟下预测无热裂倾向。 元素含量与关键结构参数的Spearman相关热图 ④ 成功实现3D打印高强铝合金，强度媲美Al7075且完全无裂纹 经400℃×8h时效后，合金的硬度达到200HV，与铸造这类传统的缓慢凝固工艺得到的微米级析出相相比，经过纳米强化相强化后的合金硬度要更高，在室温下合金的抗拉强度达395MPa，这一水平已经与锻造的Al7075持平。且团队通过CT扫描与EBSD进行多尺度表征确定样品完全无热裂缺陷，晶粒呈等轴、无织构分布，显示出该合金成分在增材制造领域具有优异的可加工性和稳定性。 力学性能与显微组织关联 【总结与展望】 团队利用增材制造快速凝固的特点，结合计算模拟筛选最佳合金成分，成功制备出了高强度铝合金，这项研究不仅推动了增材制造铝合金的可工业化应用，也为其他金属合金材料体系的设计提供了可迁移的设计范式。
新加坡国立大学何超斌教授AM：高强韧、抗疲劳的复合水凝胶 2025-12-26 ; 在生物医学和电子器件领域，水凝胶和弹性体是至关重要的组成部分，然而其韧性和抗裂纹性能往往难以满足承重应用的需求。传统的合成聚合物网络主要依赖溶液法制备，这限制了其最终力学性能的发挥。长期以来，水凝胶的设计面临着一个根本性挑战：刚度与韧性之间存在固有矛盾，导致材料要么柔软而弹性不足，要么坚硬却易脆。 为此，新加坡国立大学何超斌教授团队提出了一种通用的熔体交联策略，成功克服了这一难题。该策略通过熔融状态下的致密化过程，使聚合物链的缠结密度远超溶液条件，从而大幅提升材料性能。所制备的水凝胶即使含水量高达83%，其力学性能——包括模量、韧性和疲劳阈值——均实现了超过两个数量级的提升，且同时具备高光学透明度、优异的透氧性和突出的防污特性。这项通用性策略有望为医疗保健和智能电子等领域的功能性软材料设计提供全新指导。相关论文以“Melt Densification Enables Fracture-Resistant Blend Hydrogels”为题，发表在Advanced Materials上。 研究团队首先通过对比阐明了熔体交联网络（MCN）的设计优势。相较于缠结有限的双网络（DN）凝胶和仅含单一类型链缠结的缠结单网络（ESN）凝胶，MCN策略在熔融状态下将亲水性网络与相容的疏水性聚合物紧密缠结在一起。这种设计在移除溶剂后实现了链密度最大化，并且不同聚合物之间形成的多重链缠结在材料受力时能够进一步收紧，从而强化和增韧整个网络。 图1 | 熔体交联网络（MCN）的设计策略。 (A) MCN凝胶制备工艺流程图。(B) 缠结有限的双网络（DN）凝胶。(C) 仅含单链缠结的缠结单网络（ESN）凝胶。(D) 具有致密多链缠结的熔体交联网络凝胶及其在拉伸状态下缠结收紧的示意图。; 在力学性能方面，随着疏水性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）含量的增加，MCN水凝胶展现出惊人的增强效果。当PMMA质量分数达到0.6时，材料的模量、强度和工作断裂能相比纯PEG水凝胶提升了数个数量级，其韧性甚至超过了纯PMMA塑料。尤为重要的是，MCN水凝胶的裂纹敏感度显著降低，抗疲劳阈值也达到了传统水凝胶和弹性体难以企及的高水平，成功实现了高刚度与高抗疲劳性的协同。 图2 | 熔体交联网络（MCN）凝胶的断裂与疲劳性能。 (A) 不同PMMA含量（φ）下MCN凝胶的应力-应变曲线。(B) 共混凝胶的韧性Γ随φ的变化。(C) 熔体交联网络与其他各向同性水凝胶材料的韧性-模量（Γ-E）关系对比。(D) 共混水凝胶的断裂内聚长度L随φ的变化。(E) 不同PMMA质量分数下测得的疲劳阈值Γ0。(F) 合成及天然水凝胶与软组织在阈值Γ0和模量E上的阿什比图。 为了揭示其卓越增韧效果的结构根源，研究人员通过溶剂刻蚀、扫描电镜观测和流变学测试进行了深入分析。结果表明，PMMA链是通过物理缠结而非化学交联嵌入网络中的。熔融状态下的交联过程极大地增强了链的缠结密度，这是溶液交联样品所不具备的。同时，组分间的内在相容性是形成强韧MCN的关键。选用与PEG不相容的聚乙烯醇缩甲醛（PVF）作为对比时，所得凝胶因相分离而变得不透明且力学性能微弱，这证实了单纯的疏水相互作用不足以形成强缠结，而长链缠结与相容性才是构建强韧网络的核心。 图3 | 熔体交联凝胶的结构、交联与缠结。 (A) 样品在无水THF中典型刻蚀-干燥循环的质量变化曲线；插图：制备态和刻蚀后凝胶样品的数码照片。(B-C) PEG/PMMA MCN水凝胶（φ=0.5）冷冻断裂、冻干表面的场发射扫描电镜图像：(B) 制备态，(C) 刻蚀后。(D) 在溶液和熔体中制备的PEG/PMMA水凝胶（φ=0.5， C₁=7.5×10⁻³）的代表性应力-应变曲线；插图：溶胀比和杨氏模量（n=3）。(E) 真空干燥的熔体交联网络的储能模量（G‘）和损耗模量（G’‘）。(F) 具有不同相容性的熔体交联PEG基凝胶的拉伸应力-应变曲线。插图：溶胀样品的数码照片。(G-I) 交联的PEG/PMMA熔体交联网络的链与网络性质随引发剂浓度C₁的变化：(G) 每条链的平均交联点数Nc；(H) 平台模量GN⁰；(I) 末端松弛时间τR。网络行为的三个区域为：（i）粘性耗散；（ii）缠结主导；（iii）交联主导。; 除了卓越的力学性能，MCN水凝胶还展现出作为功能材料的巨大潜力。得益于纳米尺度的均一性，材料保持了高光学透明度。其透氧性能满足甚至超过一次性隐形眼镜的要求。同时，通过简单共混自组装形成的两亲性纳米结构，使水凝胶对牛血清白蛋白的吸附极低，展现出优异的防污特性。体外细胞实验证实了材料的高生物相容性，并且通过调整组成可以轻易调控细胞在凝胶上的行为，例如在较硬的凝胶上形成细胞团簇，而在较软的凝胶上则均匀铺展和增殖，这为组织工程中引导细胞生长提供了可能。 图4 | MCN凝胶作为功能材料的潜力。 (A) 展示MCN水凝胶高光学透明度的数码照片。(B) MCN凝胶的氧透过性（Dk/t）随PMMA含量（φ）和含水量的变化。(C) MCN凝胶与商用眼科镜片材料对牛血清白蛋白（BSA）的吸附量对比。(D) MCN凝胶的体外细胞活性（超过96%）。(E-F) 间充质干细胞（MSCs）在不同组成凝胶上的行为：(E) 在较硬凝胶（φ=0.33， E~7MPa）上形成聚集球体，(F) 在较软凝胶（φ=0.20， E~1.3MPa）上均匀铺展和增殖。 综上所述，这项研究提出了一种通用、可推广的熔体交联网络策略，用于制备抗疲劳的功能性混合水凝胶。该策略基于组分聚合物的内在相容性和缠结作用，通过热力学原理实现，可扩展至其他共混体系。MCN水凝胶集高透明度、均一性、卓越力学性能、高透氧性、生物相容性和防污性于一体，且其生物活性可通过组成进行调节。这些发现为设计坚固的功能性水凝胶提供了新的概念和技术见解，有望构建一个可定制的功能性软材料平台。未来的工作将聚焦于在动物模型中进行体内评估，并探索在MCN设计中调控结晶度等物理性质。
STLE Launches New Travel Grants Program to Support Tribology and Lubrication Engineering Professionals 2025-12-18 Spread the love STLE invites corporate and individual sponsors to join in financially supporting the development of the tribology and lubrication engineering workforce through travel grants ; PARK RIDGE, Illinois, USA (December 16, 2025);–;The Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE) — the technical society for individuals in the field of tribology and lubrication engineering — announces a new initiative designed to support rising engineers, researchers and industry professionals in advancing the field without financial barriers. To help bridge the growing funding gap, STLE is investing $10,000 into the;STLE NextGen Fund;to launch a new travel grant program. ; STLE now invites corporate partners and individuals;to sustain and grow this program beyond the initial $10,000.;Through the program, eligible;attendees will receive individual grants of up to $1,000 to support their professional travel.;Eligibility requirements and applications for STLE travel grants will be available on the STLE website starting in January 2026. ; “STLE recognizes the importance of supporting our community and understands that financial assistance may be required for individuals to;continue their professional development and conference attendance,” said Rebecca Lintow, CAE, STLE executive director.;“We invite our corporate partners to support our mission as we;expand access and provide opportunities for early career engineers, academic researchers and industry innovators to connect with their peers in the global tribology and lubrication community.” ; Corporate Opportunities STLE is actively seeking;corporate partners;to collaborate on expanding this initiative. Companies that provide five or more $1,000 travel grants will be recognized as key supporters of professional development and industry advancement. ; Travel Grants Needed $1,500 – One grant $5,000 – Four grants ; Partnership;benefits include: ·;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Recognition during the STLE Annual Meeting, including signage and visibility at the President’s Awards Luncheon/Business Meeting.  ·;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Year-round acknowledgment through STLE’s digital channels, publications and outreach campaigns. ·;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Direct impact on the next generation of tribologists and lubrication engineers. This new program reflects STLE’s ongoing commitment to empowering professionals, celebrating community and advancing the field through inclusive engagement. ; For more information about corporate partnerships for STLE travel grants, contact Karl Phipps, STLE community engagement manager, at kp*****@**le.org. ; To learn more about the 2026 STLE Annual Meeting & Exhibition: Innovating Through Tribology & Lubrication, visit;https://www.stle.org/annualmeeting. ; About the Society of Tribologists & Lubrication Engineers (STLE) The;Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE);is the premier technical society serving the needs of over 15,000 individuals and 200 companies and organizations that comprise the tribology and lubrication engineering business sector. STLE members are employed by the world’s leading corporations, academic institutions and governmental agencies dealing with science and technology. STLE supports these distinguished technical experts with various professional education and certification programs. STLE is a professional technical society providing robust resources in technical research, education and professional development delivered through programming, courses, events and periodicals on topics most important to you: safety, energy usage, maintenance, natural resources, wear and productivity. ; Tribological advancements can improve productivity, profitability, sustainability and safety across several industries, including manufacturing, metalworking, transportation and power energy.;Membership is available to those interested in staying current with the latest technologies, advancing their careers and making new professional connections worldwide.;STLE membership;is a low-cost investment with high professional rewards. For more information or to join today, visit;www.stle.org.
Acta Mater/纳米层状D019相强化高熵合金/杨涛教授 2025-12-16 ; 宽温域“全能战士”：新型高熵合金突破高温强塑性互斥瓶颈 从室温到900°C，屈服强度保持数百兆帕，延伸率始终高于25%——一项基于定向层状与颗粒状D0₁₉析出相设计的微观结构工程，让高熵合金在极端温度下仍能“刚柔并济”。 燃气轮机叶片在高温高速气流中运转，航空发动机部件需耐受剧烈温差，核能设备材料面对辐射与热循环的双重考验……极端高温环境对结构材料提出近乎苛刻的要求：既要具备足够强度抵抗变形，又需保持良好塑性以承受冲击与振动。 传统沉淀强化合金往往陷入“中温脆性”困境：随着温度升高，强度与塑性此消彼长，难以兼得。 近期，香港城市大学杨涛教授一项发表于《Acta Materialia》的研究Enhanced strength-ductility combinations over a wide temperature range in high-entropy alloys via manipulating the nano-lamellar precipitation behavior，通过精巧的纳米层状析出相结构设计，成功开发出一种在室温至900°C宽温域内均展现卓越强塑性协同的高熵合金，为下一代高温结构材料指明了新方向。 01 中温脆性：高温材料的“阿喀琉斯之踵” 沉淀强化是提升合金强度的经典策略，通过引入纳米级第二相颗粒阻碍位错运动，赋予材料更高的承载能力。在众多强化相中，具有六方密排结构的D0₁₉（ε）相因其高温稳定性与良好的强化潜力备受关注。 然而，传统D0₁₉强化合金存在明显短板。这些析出相往往以非定向层状形态随机分布，在提升强度的同时，严重限制了材料的变形能力。特别是在中温区间，材料塑性急剧下降，出现明显的脆性断裂倾向，学界称之为“中温脆性”。 例如，已有研究报道：某些含高密度D0₁₉析出相的高熵合金虽获得高强度，但其延伸率不足15%；而另一些追求良好塑性的合金，屈服强度仅能维持在500兆帕左右。强度与塑性的“此消彼长”，成为制约D0₁₉强化合金走向广泛应用的核心瓶颈。 02 结构破局：定向层状+颗粒状复合析出相设计 研究团队另辟蹊径，提出一种定向层状与颗粒状结构复合的析出相设计方案。 他们选取成分为(Ni₂Co₂FeCr)₈₆Al₄Nb₄B₁（原子百分比）的高熵合金，通过一套精巧的“热机械加工组合拳”：先将铸锭在1200°C均匀化处理后，于900°C长时间保温析出初生D0₁₉相；随后进行多轮“冷轧（20%变形量）+ 900°C短时退火”循环，累积总变形量达80%。 这套工艺的妙处在于，冷轧引入的变形储能与后续退火的热激活相结合，引导D0₁₉相不再以杂乱的魏氏体形态析出，而是沿轧制方向排列，形成 “定向层状”与“颗粒状”共存的独特微观结构。 相比之下，传统工艺制备的对比合金中，D0₁₉相呈现典型的非定向交错层状结构。两者基体成分相同，核心差异仅在于析出相的形貌与分布。 03 性能飞跃：从室温到900°C的全面领先 力学测试结果令人振奋。这种具有定向层状与颗粒状结构的新合金展现出全方位的性能优势： 室温表现：屈服强度高达821±24兆帕，抗拉强度1220±15兆帕，延伸率27±2%。其强度-塑性综合指标显著优于对比合金。 高温性能（700-800°C）：新合金成功规避了中温脆性。在700°C下，屈服强度770兆帕，延伸率37%；800°C下，强度仍有670兆帕，延伸率更是高达63%。而对比合金在这些温度下延伸率已暴跌至10%以下。 超高温表现（900°C）：新合金仍保持301兆帕的屈服强度与90%的优异塑性。 断裂模式分析进一步印证了其韧性本质。新合金在所有测试温度下的断口均呈现高密度韧窝，为准解理断裂；而对比合金在室温至800°C均显示典型的脆性沿晶断裂形貌。 与各类高性能合金数据库对比，这种新材料在整个宽温域内的强塑性协同效应均处于领先地位，实现了对传统沉淀强化合金、钴基及镍基高温合金的全面超越。 04 机理揭秘：微观结构如何掌控变形行为 透射电镜与电子背散射衍射分析揭示了性能卓越背后的秘密。 室温变形时，新合金中的D0₁₉析出相因尺寸较大、与基体结合强，位错难以“切过”，主要采取 “绕过”机制，在颗粒周围形成位错环。这带来了显著的奥罗万强化效应。同时，基体内形成高密度层错与缠结位错，共同贡献了高强度与良好的加工硬化能力。 高温变形（700°C及以上）时，变形孪晶开始被激活。这些孪晶与层错相互作用、交织，形成了复杂的亚结构。这种“动态霍尔-佩奇效应” 与缺陷间的相互阻碍，有效抵消了高温下的动态软化趋势，是维持高温强度与塑性的关键。 此外，不可切割的D0₁₉析出相扮演了多重角色：它们不仅是强化的“锚点”，其界面处还能诱发局部应力集中，促进层错与孪晶形核；同时，这些颗粒能通过齐纳钉扎效应阻碍晶界迁移，抑制晶粒长大，并将动态再结晶的起始温度提高了约100°C，从而稳定了高温下的细晶组织。 05 未来展望：为极端环境设计新材料 这项研究通过微观结构创新，成功驾驭了D0₁₉相的强化潜力，打破了其固有的脆性枷锁，为设计下一代宽温域高性能结构材料提供了全新范式。 其意义不仅在于一组优异的性能数据，更在于揭示了一条可推广的材料设计路径：通过巧妙的工艺设计，调控析出相的形貌、尺寸、分布与界面特性，可以协同优化其在室温与高温下的强化与韧化机制。 未来，类似的“析出相结构工程”策略有望应用于更广泛的合金体系，推动航空发动机、重型燃气轮机、核电装备等关键领域材料的升级换代。当金属材料能在冰火两极间从容应对，人类探索能源与动力的边界，也将随之拓展。 关键结果速览 ; 图4：展示了DLGS合金与NDLS合金在不同温度下的力学性能对比及相应的断口形貌。 通过SEM和EBSD图像系统展示了DLGS和NDLS合金在室温至900°C变形前后的微观结构演变。 通过TEM和HRTEM揭示了DLGS合金在700°C变形后的变形亚结构。 DLGS合金在800°C变形后的微观结构。 DLGS合金与温度相关的变形机制演变规律 通过EBSD和晶粒取向扩展（GOS）图对比了DLGS和NDLS合金在800°C变形后的动态再结晶（DRX）行为。
不同组织状态304奥氏体不锈钢的氢脆行为-张慧云-冶金工业出版社2025-12 2025-12-16 ; 内容简介;; 本书详细分析了固溶态、冷轧及热处理态、温轧态，以及激光选区熔化增材制造态304奥氏体不锈钢的氢脆敏感性、组织演变规律及氢致断裂机理，揭示了晶界、孪晶界、位错、马氏体相变、织构等因素对其氢脆行为的影响。 ; ;; 出版时间：2025年12月，冶金工业出版社， ISBN：978-7-5240-0247-5 目录;; 1 绪论 ;1.1氢脆概述 1.1.1 氢的来源 ; 1.1.2 氢的分布 ; 1.1.3 氢脆机理 ; 1.1.4 氢的检测 ; 1.2 奥氏体不锈钢概述;; 1.3 奥氏体不锈钢氢脆行为的研究进展 ; 1.4 影响奥氏体不锈钢氢脆行为的主要因素 ; 1.4.1 氢浓度 ; 1.4.2 试验环境 ; 1.4.3 组织结构 ; 2 实验材料及方法 ; 2.1 实验材料 ; 2.2 样品制备及实验方案 ; 2.2.1 固溶态组织制备 ; 2.2.2 冷轧及热处理态组织制备 ; 2.2.3 温轧态组织制备 ; 2.2.4 激光选区熔化态组织构筑 ; 2.3 组织表征 ; 2.3.1 OM观察 ; 2.3.2 SEM观察 ; 2.3.3 EBSD观察 ; 2.3.4 TEM观察 ; 2.3.5 XRD分析 ; 2.4 氢脆敏感性测试 ; 2.5 氢的检测;; 2.5.1 充氢参数的选定 ; 2.5.2 氢分布的检测 ; 2.5.3 氢含量的检测 ; /// /// “本书使用热脱附谱仪TDS（JTF-20A）来检测材料中氢含量与氢分布。样样品预充氢（充氢电流密度和充氢时间与拉伸实验中相同）后酒精催赶放入石英管中，TDS从室温到800℃进行缓慢升温，，升温速率为100℃/h（其中，计算氢激活能时设置100℃/h、200℃/h和300℃/h组升温速率。钢中氢含量测定系统 ;气相色谱形式升温热脱附法测定原理，即试样在惰性Ar气中按照一定升温温度从低温加热到高温，根据伴随温度变化释放的氢含量绘制“温度-氢含量”释放图谱进而解析氢分布状态。 ” 3 固溶态304奥氏体不锈钢的氢脆行为 ; 3.1 引言 ; 3.2 实验结果;; 3.2.1 初始均质奥氏体组织 ; 3.2.2 氢脆敏感性及断口形貌 ; 3.3 分析讨论;; 3.3.1 晶界和孪晶界对氢扩散行为的影响 ; 3.3.2 氢对应变诱导α′-马氏体的影响 ; 3.3.3 固溶态奥氏体不锈钢的氢致断裂机理 ; 3.4 本章小结 ; 4 冷轧及热处理态304奥氏体不锈钢的氢脆行为;; 4.1 引言 ; 4.2 冷轧工艺下奥氏体不锈钢的组织演变及氢脆行为 ; 4.2.1 位错与应变诱导α′-马氏体的产生 ; 4.2.2 位错与应变诱导α′-马氏体对氢脆敏感性的影响 ; 4.2.3 位错与应变诱导α′-马氏体对氢扩散行为的影响 ; 4.2.4 冷轧态奥氏体不锈钢的氢致断裂机理 ; 4.3 退火工艺下奥氏体不锈钢的组织演变及氢脆行为 ; 4.3.1 马氏体逆相变对氢脆敏感性的影响 ; 4.3.2 回复与再结晶对氢脆敏感性的影响 ; 4.3.3 晶粒长大对氢脆敏感性的影响 ; 4.4 敏化处理下奥氏体不锈钢的组织演变及氢脆行为 ; 4.4.1敏化处理对固溶态组织氢脆敏感性的影响 ; 4.4.2 敏化处理对冷轧态组织氢脆敏感性的影响 ; 4.4.3 敏化态奥氏体不锈钢的氢致断裂机理 ; 4.5 本章小结 ; 5 温轧态304奥氏体不锈钢的氢脆行为 ; 5.1 引言 ; 5.2 实验结果 ; 5.2.1 孪晶和位错的引入 ; 5.2.2 氢脆敏感性及断口形貌 ; 5.2.3 氢分布及氢含量 ; 5.3 分析讨论;; 5.3.1 孪晶和位错对氢脆敏感性的影响 ; 5.3.2 织构对氢脆敏感性的影响 ; 5.3.3 温轧态奥氏体不锈钢的氢致断裂机理 ; 5.3.4 传统工艺条件下组织演变规律与氢行为对比分析 ; 5.4 本章小结;; 6 激光选区熔化增材制造304奥氏体不锈钢的氢脆行为 ; 6.1 引言 ; 6.2 临氢载荷环境下奥氏体不锈钢的组织演变及氢脆行为 ; 6.2.1 位错胞状结构的构筑 ; 6.2.2 位错胞状结构对α′-马氏体相变的影响 ; 6.2.3 位错胞状结构对氢扩散行为的影响 ; 6.3 不同构筑方向奥氏体不锈钢的组织演变及氢脆行为 ; 6.3.1 不同构筑方向对微观组织的影响 ; 6.3.2 不同构筑方向对氢脆敏感性的影响 ; 6.4 不同退火工艺下奥氏体不锈钢的组织演变及氢脆行为 ; 6.4.1 不同退火工艺对微观组织演变的影响 ; 6.4.2 不同退火工艺对氢脆敏感性的影响 ; 6.5 激光选区熔化增材制造奥氏体不锈钢的氢致断裂机理 ; ; 6.6 本章小结 ;
Acta Mater.：多型可逆相变！脆性TCP相50%体积分数下仍实现优异强韧性 2025-12-16 ; 拓扑密堆积（TCP）金属间化合物相因其优异的高温强度与抗蠕变性能，在高温结构材料中具有重要应用。但传统TCP相室温脆性极高，即使微量也会显著降低合金韧性，TCP相体积分数通常需控制在10%以下以避免灾难性失效。其脆性源于单晶中有限的滑移系和多晶中薄弱的晶界，且现有微合金化等方法无法有效提升室温断裂韧性，这一强韧性权衡问题长期制约TCP相的应用。 近日，上海交通大学顾剑锋教授、赫全锋副教授团队联合香港城市大学杨勇教授、赵仕俊教授，在复杂共晶合金中设计出一种具有可逆多型相变能力的亚稳态拓扑密堆相，成功实现了在拓扑密堆积金属间化合物材料高达50%体积分数下仍具备优异的强韧性匹配，其室温断裂韧性达到62MPa·m0.5。该研究成果以“Polytypical Phase Transformation of Topologically Close-Packed Phase Enabled Toughening in Multi-Principal-Element Eutectic Alloy”为题被发表于材料领域顶级期刊《Acta Materialia》上。上海交通大学赫全锋副教授、湖南大学马诗华博士与韩国忠南大学D.H. Chung助理教授为论文共同第一作者，通讯作者为香港城市大学杨勇教授、赵仕俊教授及上海交通大学顾剑锋教授。研究工作获得了国家自然科学基金、香港研究资助局等项目的资助。 文章链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121737 【核心内容】 该研究设计了一种成分为CoNiNb0.37的多主元共晶合金，在其铸态组织中首次发现了一种具有单斜结构的亚稳TCP相（命名为M相），通过实验与模拟发现M相在应力作用下可发生可逆多型相变，转变为C14 Laves相，并在卸载或热处理后部分恢复。这一相变过程在裂纹尖端诱发了显著的塑性区，有效钝化裂纹、耗散能量，从而大幅提升了材料的断裂韧性，合金在含～50vol% TCP相的情况下，仍实现62MPa・m0.5的室温断裂韧性。同时，转变的可逆性赋予合金出色的热机械加工性，可承受超75%的压缩应变而不失效，为解决传统TCP相固有的脆性问题和实现强韧性协同提供了新范式。 图形摘要 【研究成果】 ① 性能突破：TCP相合金韧性刷新纪录 1200℃退火的含50vol%亚稳态M相的CoNiNb0.37合金，其室温断裂韧性可达到62MPa·m0.5，这一数据远远超过了传统的TCP相合金。1200℃退火样品的屈服强度和断裂应变分别为0.8GPa和23%，且含52vol% M相的铸态样品屈服强度和断裂韧性分别为1.4GPa和39.8MPa・m0.5，打破了合金高强度必脆的局限。 合金的力学性能与优异的强韧协同效应：(a) 铸态及不同温度退火后样品的应力应变曲线，(b) 样品的显微硬度和片层间距随退火温度的变化，(c) 通过断裂韧性测试获得的J-R曲线，(d) 本工作开发的合金与其它已报道的TCP相强化合金的断裂韧性-硬度对比图 ②;机制创新：发现TCP相可逆多型转变 该研究团队首次在TCP相中观察到了可逆多型相变，亚稳态的M相在～470MPa的临界应力下，通过层内原子滑动转变为C14 Laves相，这种转变在卸载或者1200℃退火后可逆向恢复。且这种转变机制不同于传统的马氏体相变，它通过应力诱导结构重排实现能量耗散，抑制裂纹扩展，赋予裂纹尖端塑性。 原位实验直接捕捉到应力诱导的可逆相变：(a) 在循环加-卸载过程中，通过原位高能X射线衍射图谱直接观察到M相与C14 Laves相之间的转变，(b) 不同晶面间距随应力的变化。(c-d) 变形前样品的TEM图像及对应的M相选区电子衍射花样，(e-f) 变形后暗场TEM图像及对应的选区电子衍射花样证实，M相已转变为C14 Laves相 分子动力学模拟揭示M相至C14相的原子级剪切变形机制：(a-b) 分别沿 [110]和[010] 方向观察，在压缩应变下M相的原子构型演变。红色区域标志着已通过剪切转变为C14结构的原子团簇。当应变达到约0.1时，M相晶格发生局部塌陷并重组为C14结构，(c-d) 高应变区域原子团簇的放大图，(e-f) M相到C14相转变过程的示意图显示该过程主要由原子层之间的剪切滑移主导 ③;加工性飞跃：75%累积应变不失效 这项研究利用了M相和C14相的可逆转变，通过压缩和1200℃退火循环，使合金能够承受75%的累积压缩应变而无断裂，突破了传统TCP富集时材料可加工性差的瓶颈，为后续成型制造提供可能。 (a）CoNiNb0.37共晶合金的循环应变-应力曲线，每次压缩后，在1200°C下进行热处理，(b) CoNiNb0.37共晶合金的循环应变-应力曲线，每次压缩后以1000°C退火，(c) CoNiNb0.37共晶合金在循环压缩试验中，压缩应变为0、18%和75%时的照片，(d) 显示样品在循环压缩试验中总应变为0和14%的照片，对应于(b) 【总结与展望】 该研究通过多主元合金设计与亚稳相调控，首次发现的M相和C14相的可逆多型转变，使合金在高TCP相的情况下仍然能够强韧性兼备，并且可以达成可加工性能的突破，不仅为TCP相的强韧化设计提供了全新路径，也展示了亚稳相工程在实现材料多功能化方面的潜力。此类具备可逆相变能力的TCP相复合材料，有望应用于高温结构部件、耐损伤涂层、以及需在极端环境下服役的能动组件中，推动下一代高强韧合金的发展。
颠覆传统！今日Nature：首次量化晶界在金属变形中的重要作用！ 2025-12-12 ; 在广泛的温度、压力、应变速率等条件下，金属与合金的永久或塑性变形由位错完成，位错的可动性及其数量决定了晶体材料的力学行为。实际材料通常以多晶形式存在，每个晶粒由晶界分隔，而晶界会阻碍位错运动。Hall-Petch关系指出，金属屈服强度随晶粒尺寸减小而升高，其物理本质被解释为位错在晶界前塞积，且有效变形体积逐渐受限。当晶粒尺寸缩小到纳米量级时，这一经验规律失效：晶粒内部几乎不含位错，屈服强度不再升高甚至下降。这一转变通常归因于晶界本身驱动的塑性变形机制。目前已提出多种由晶界主导的应力松弛机制：晶粒旋转、晶界滑移以及剪切耦合晶界迁移（SCGBM）。前两种机制将晶粒视为不可变形的刚体，而 SCGBM 则涉及晶界移动，伴随晶粒长大或缩小。SCGBM 比晶粒旋转或滑移更难直观理解，但近年来受到广泛关注，因为它可在室温或中温下解释应力辅助晶粒长大，而以往这种现象仅出现在高温扩散蠕变过程中。由于纳米晶结构尺度小、复杂度高，原子尺度模拟成为研究上述问题的重要工具，但通常只考虑理想化晶界，难以还原真实多晶材料。实验方面，20 年来在纳米晶中实时追踪单个晶界及其取向变化一直极具挑战。Rottman等人利用原位 TEM发现，受应力驱动的晶界迁移并无特定取向偏好，但未能同步量化伴随的剪切应变。最新高分辨TEM揭示了SCGBM与晶粒旋转的关联，但SCGBM 在整体塑性变形中的权重仍不清楚。 成果掠影 在此，法国图卢兹大学Marc Legros等人（通讯作者）使用经退火去除晶内位错的超细晶铝（晶粒<1 µm），在210–230 °C下进行原位TEM拉伸，并结合原子力显微镜（AFM）定量测定迁移晶界所携带的剪切应变及其取向差。结果表明：在小晶粒多晶材料中，晶界能够在迁移过程中承担塑性变形，剪切量与晶界取向差无关，且效率始终较低。这些结果支持一种全新的晶界概念：晶界不应再被视为携带固有“耦合因子”（类似位错的伯格斯矢量）的晶体缺陷，而应被看作包含特殊缺陷——“断开”（disconnections）——的特定晶格，这些断开反过来主导晶界的（至少是力学）性能。研究同时证实，多晶体可在无位错的情况下发生塑性变形，但效率更低，为解释纳米晶金属在低温和室温下的低延展性提供了潜在思路。 相关研究成果以“Quantifying grain boundary deformation mechanisms in small-grained metals”为题发表在Nature上。 核心创新点 1.晶界能够在迁移过程中承担塑性变形，但效率低到远超预期，而且与晶界的取向无关。 2.晶界不应再被视为携带固有“耦合因子”（类似位错的伯格斯矢量）的晶体缺陷，而应被看作包含特殊缺陷—“断开”（disconnections）—的特定晶格。 数据概览 图1 将晶体学取向图叠加于预裂纹超细晶Al薄膜的明场TEM照片© 2025 Springer Nature 图2 220°C原位透射电镜应变实验中与晶界迁移相关的塑性应变测量© 2025 Springer Nature 图3 250℃、4MPa压缩35min后晶界迁移改性的Al3%Mg超细晶块体样品表面形貌© 2025 Springer Nature 图4 原位TEM和AFM测量的迁移晶界耦合因子β;© 2025 Springer Nature 成果启示 综上所述，本文的发现可能迫使研究者重新思考晶界的本质，在金属与合金的位错塑性中早已熟知，除弹性性能外，所有力学性能（强度、延展性等）均源于缺陷，而非完美晶格本身。正如最近在晶界迁移性研究中所示，在扩散受限的相对较低温度下，晶界的力学性能应归因于其缺陷——“断开”（disconnections），而非宏观特征（惯习面、取向差）或结构（双色图样），尽管这些缺陷的存在依赖于晶格结构。这要求转变对真实晶界的视角，晶界常被视为多晶微结构中的“缺陷”；而本文推断，它们并非基本缺陷，而是承载更基本缺陷的载体，这些缺陷才是其动态性能的真正原因。
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