盧柯＆李秀艷Nature Materials特輯：「玩轉」金屬缺陷！

一直以來，金屬結構材料的發展主要依賴於材料的合金化，以期改善材料所需性能。合金化主要是通過改變材料的晶格電子和應變能態或者形成其他相來優化材料性能。例如，向鐵中加入一定量的鉻和鎳元素，可在其表面形成一層保護層，顯著提高其材料抗氧化和抗腐蝕性能。到目前為止，合金化法在提高材料性能方面已經在眾多材料裡面得到實現。

儘管合金化法可使眾多材料獲得優良性能，然而，大量金屬元素的使用也帶來了一系列的嚴重問題：

1、對依賴某些特定元素的高性能金屬材料的可持續發展有不利影響，如對稀有元素或者資源枯竭元素的嚴重依賴性；

2、對擁有複雜合金成分的材料的回收再利用變得越來越困難，使其很少回收甚至是不可回收；

3、合金成分的增加提高了材料的製造成本，如貴金屬元素。

晶體材料中存在各種各樣的缺陷，如空位，位錯，晶界和相界等，眾所周知，有些缺陷狀態也可以極大改變材料性能。如材料加工過程中由於位錯和晶界的增加，可使材料獲得加工硬化效應，提高其強度等。因此，能否通過人為改變材料中的某些缺陷的形式，數量和分布等，在不引入其他元素的條件下調控優化金屬結構材料的性能呢？

近日，中科院金屬所的盧柯院士和李秀艷研究員在Nature Materials上發表題目為「Playing with defects in metals」的最新特輯，論述了通過材料合金化優化金屬結構材料性能方面存在的潛在問題，並提出通過缺陷工程替代合金化來調控金屬材料的機械性能存在的優勢，潛在可行性及可能存在的問題。

缺陷工程的應用具有材料合金化法所不具有的許多優勢：如對關鍵元素的依賴引起的可持續性發展問題，提高材料回收再利用率及使用成本等，另外，通過缺陷工程，可以在材料成型後調整性能，同時可以進一步對局部缺陷進行操縱，以定向地賦予特定的機械性能。

圖1. 通過缺陷工程在金屬材料中獲得的一系列的不同類型鋼的強度與延展性能相關性圖

圖1顯示的是通過缺陷工程在金屬材料中引入缺陷而獲得的一系列的不同類型鋼的強度與延展性能相關性圖像。包括各向同性鋼（IS），煅燒硬化鋼（BH），碳 - 鎂鋼（CMn），高強低合金鋼（HSLA），雙相鋼（DP），復相鋼（CP），馬氏體鋼（MART）等。這些材料都處於兩種極端結構的梯度中：無間隙粗晶（CG IF）和無間隙納米層（NL IF）。圖右上角圖像為無間隙粗晶（CG IF）的典型掃描圖，其質地軟和延展性好， 圖右下無間隙納米層（NL IF）圖像的典型掃描圖，其硬度大但延展性差。

當然，到目前為止，缺陷工程在調控材料性能應用方面還存在一些潛在問題：主要體現在大量引入的缺陷穩定性問題，如在製造和服役過程中的載入和特殊環境（熱作用等），缺陷可能會產生運動和交互作用，從而造成缺陷的消失和轉化，進而降低或失去缺陷工程調控材料性能的實際作用。

可喜的是，隨著相關科學技術的不斷發展，使缺陷工程的實際應用提高了，主要表現在以下幾個方面：

1、在穩定金屬缺陷和在不同長度尺度操縱界面方面取得了重大進展，如發現的幾種類型的低能界面，包括雙邊界和低角度邊界，在納米尺度上對熱和機械作用表現出相當高的穩定性；

2、通過控制缺陷的分布和組織等，如設計具有從納米到宏觀尺寸範圍梯度的界面，藉助這種梯度方法，使具有固定化學成分的鋼的機械性能可以在幾個長度尺度上調整，獲得跨越合金化等其他方法所擁有的的性能。

最後，雖然缺陷工程具有許多合金化所不具有的在調控金屬材料性能方面的優勢，並有望投入具體實際生產使用中，但離大規模實際工程應用還有一定距離。因此，一方面，需繼續加大對缺陷的基礎理論研究，尤其在缺陷穩定性和不同的尺度範圍內的缺陷的操縱上研究取得進一步進展，另一方面，需不斷在工業生產和服役過程中，不斷摸索和調整。總之，缺陷工程將在未來調控材料性能方面大有可為，同時，將缺陷工程與合金化法等相結合在未來也具有巨大的發展潛力。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！