精彩！2020年金属材料领域，15篇《Nature》、《Science》！

2021-01-11 10:53:25 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

《Nature》、《Science》作为国际顶级期刊，发表在上面的论文通常具有广泛的影响力和重要意义。我国近年来科研实力不断增强，发表的NS论文也越来越多。

但是，在传统金属材料领域相关科研人员都深有体会，想要做出新的重大成果非常困难。从发表论文来说，Acta Materialia是传统金属材料的顶刊，想发在Nature、Science则十分困难。

为此，我们选取盘点了15篇2020年发表在NS上的重要成果，希望对大家有所启发。点击每篇的蓝色标题可查看相应详细介绍。

1、金属所等发表《Science》！五重孪晶形成机理获重要进展

中国科学院金属研究所钛合金研究部的周刚助理研究员（共同一作）、王皞副研究员与美国太平洋西北国家实验室的Li Dongsheng教授（通讯作者）、宋淼博士（共同一作）以及密歇根大学的鲁宁博士（共同一作）等人合作，采用高分辨原位透射电镜和分子动力学模拟方法，在原子尺度揭示了两种五重孪晶的形成机理。相关研究成果于2020年1月3日在Science发表。

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2、钢铁领域再发《Science》！氢脆原来是这么回事！

对氢陷阱的直接观察将有助于开发出更耐氢脆的材料。为此，研究人员通过低温转移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。结果表明，氢原子被钉扎在钢中位错、晶界、析出相等位置不同界面。在富碳的位错和晶界处直接观察到了氢，这为氢脆模型提供了实验证据。在NbC析出相与钢基体不相连的界面处也观察到了氢。这直接证明了不相连的界面处可成为氢陷阱，这一发现对于设计抗脆性钢具有重要重义。

3、钢铁再发《Science》！港大黄明欣等创强韧性组合世界纪录的超级钢

材料的强度和韧性往往不可兼得，尤其是屈服强度超过2 GPa时难度成倍增加。港大黄明欣等人首次提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧的新机理，获得了同时具备极高屈服强度，极佳韧性，良好延展性的低成本超级钢，为发展高强高韧金属材料提供了新的材料设计思路。这是黄明欣团队2017年在《Science》发表创屈服强度-均匀延伸率世界纪录的超级钢之后，在钢铁领域取得的又一重大成果。

4、刘锦川院士《Science》：强度1.6GPa，伸长率25%的超强韧合金

在高温下具有高强度的合金，对包括航空航天在内的许多重要行业至关重要。具有有序超晶格结构的合金在这方面很有吸引力，但通常韧性差，晶粒粗化快。香港城市大学的刘锦川院士团队发现，纳米级无序界面可以有效地克服以上问题。相关论文于07月24日发表在Science上。研究者成功合成了超晶格合金的复合结构，特别是多元素共分离诱发的界面无序，可以用来设计高强度的超晶或纳米晶材料，具有增强的晶界稳定性和相应的抗粗化能力。

5、麻省理工：刮胡子刮出一篇《Science》！

尽管剃须刀刀片的硬度是毛发硬度的50倍，在长期使用后刀片也会变钝。传统的观点认为，刀片涂层的磨损变圆和脆裂是造成这一现象的原因。来自麻省理工学院的研究者们揭示了一种不同的机制：刀片变钝是面外弯曲、微观结构不均匀性和粗糙的刀片边缘（刀片边缘的微观缺口）共同作用的结果。如果三种因素叠加，还有可能产生断裂。通过实验分析和数值模拟揭示了这一现象的关键原因：板条马氏体结构的空间变化引起了II型、III型混合开裂，随后产生了明显的磨损。

6、最新《Science》：出乎意料的优势！从位错角度揭示合金变形机理

难熔多主元合金（MPEAs）是一种很有前途的材料，可以满足很多结构应用要求，但在这些合金的体心立方（bcc）变体中，需要从根本上不同的途径来适应塑性变形。研究者在bcc难熔多主元合金MoNbTi中展示了均匀塑性变形能力和强度的理想组合，这是由崎岖的原子环境实现的，从位错角度对变形进行了进一步阐释。相关论文10月2日发表在Science上。本文揭示了非螺旋位错以及众多位错滑移面出乎意料的优势，为解释类似合金的异常高温强度的理论提供了依据。为合金设计策略提供了一个位错认识视角，使材料能够在不同的温度范围表现优异。

7、清华今日《Science》：激光增材制造领域取得重要进展！

激光粉末床熔合（LPBF）是目前使用最广泛的金属增材制造工艺，正在颠覆改变着制造业，但孔隙率问题仍然是它的致命弱点。本文针对这一问题进行了深入研究，发现了一种新的机制，理清了关于孔隙起源的一些问题。结果表明，小孔孔隙率在功率-速度空间的边界是尖锐而光滑的，在光板和粉床之间变化不大。相关论文于2020年11月27日发表在Science上。

8、《Nature》4.2GPa超高屈服强度！纳米晶金属的高压强化

重庆大学材料学院黄晓旭教授团队与北京高压科学研究中心陈斌研究员团队等合作，在《Nature》上发表题为“超细晶金属的高压强化”的研究成果，研究人员首次将地球科学研究领域的高压实验方法引入到了纳米材料研究中，创造性地解决了纳米材料强度表征的技术难题。首次报道了晶粒尺寸在10纳米以下的纳米纯金属的强化现象。将会进一步刷新人们对纳米材料强化中临界晶粒尺寸现象的认识，重新激发通过调控材料的晶粒尺寸和微观结构获得超强金属的探索。

9、金属所《Nature》85年来加工硬化机理的重新认识！

首次在块体非晶态材料中实现加工硬化，颠覆了人们对非晶态材料形变软化行为的固有认识，为开发具有均匀塑性变形能力的非晶合金及其工业应用提供了新思路和方向。研究结果表明，块体非晶合金的加工硬化却是伴随着材料缺陷的湮灭和减少，是一个由高能态向低能态的转变过程。这与晶体材料的传统加工硬化过程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化机制。此研究不仅是八十五年来对材料加工硬化机理的重新认识，也为非晶态材料作为结构材料的应用奠定坚实的理论基础。

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10、重要突破！《Nature》晶界相变，开辟材料设计新道路！

晶界会导致材料变脆容易产生破裂，但是某些晶界能够阻碍位错运动进而增强材料性能。晶界相变在纯金属中是否存在一直处于未知状态，仍没有研究直接观察到纯金属中晶界的相变。本文研究了在超净条件下沉积在蓝宝石衬底上的铜薄膜中的晶界，直接观察到纯铜中的晶界相变，并发现了相似晶界中共存的两种不同结构，为材料设计开辟了新的道路，有利于进一步研究晶界相变对异常晶粒长大及液态金属脆化等现象。

11、北理工《Nature》突破传统认知，发现剪切促进晶体生长！

基于传统的结晶学理论，机械搅拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶体的生长。北京理工大学孙建科教授将其“剪切促进晶体生长”研究成果发表于《Nature》。该项研究突破了人们对传统晶体生长机理的认知，发现在聚离子液体存在的环境中，不断的搅拌会让晶体生长的更快、更大。为简单、高效合成高质量的单晶提供了新思路。

12、今日《Nature》重要突破！一种改善中高熵合金性能的新途径

本文中研究人员通过实验直接观察到了短程有序结构，这种独特的结构可以起到很好的强化效果，提高合金的层错能和硬度。观察了CrCoNi中熵合金中短程有序结构特征，提供了化学短程有序（SRO）结果的定量可视化，研究了该SRO对MEA/HEA材料力学行为的直接影响，发现这种数量级的增加会引起更高的堆垛层错能（SFE）和硬度。可以通过调整热力工艺参数来改变纳米级的局部有序度，从而为调节中熵合金和高熵合金的机械性能提供新途径。

13、《Nature》重磅：接近A4纸大小！世界上最大的单晶金属箔诞生

大型单晶金属箔有巨大的潜在应用，制备具有不同晶面指数的大型单晶金属箔一直是材料科学的重点研究方向之一。在单晶金属箔中，高指数晶面在原理上较完整，能够获得更丰富多样的表面结构和性能，但是控制并制备具有高指数晶面的单晶箔非常困难。本文创造性提出晶体表界面调控的“变异和遗传”生长机制，在国际上首次实现种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库的制造，发现金属箔中的应变能和表面能是退火过程中异常晶粒生长的竞争性驱动力。

14、马普所最新《Nature》：增材制造1.3GPa强度，10%延伸率的新型钢材！

激光增材制造的部件经历了大量的循环再加热，研究者可以利用快速淬火、顺序原位加热和局部相变来制造层状微观结构，实现对马氏体形成和析出的精确、局部控制，从而控制力学行为。研究的材料具有1300MPa的抗拉强度和10%的延伸率。采用的原位沉淀强化和局部组织控制原理可广泛应用于沉淀硬化合金和不同添加剂的制造工艺，避免了耗时和昂贵的后处理时效热处理，也提供了局部调整微观结构的可能性，这是传统热处理不可能做到的。

15、厉害！用铜发了篇《Nature》，简单高效的新型防腐技术！

铜，由于其高导热性和电导率、延展性和整体无毒性，在日常和工业中得到了广泛应用。然而，铜不容易形成稳定的表面钝化层以阻止其被空气连续腐蚀。尽管研究者已经努力开发了众多材料作为阻氧剂的表面钝化技术，但大规模应用程度仍然有限。来自厦门大学和北京大学等单位的研究者报道了在甲酸钠存在的情况下对铜进行溶剂热改性，可以重建铜表面的晶体结构并形成超薄的表面配位层，很好地提升了铜的耐腐蚀性。