金属材料的强度往往伴随晶粒尺寸的减小而增加，然而当晶粒尺寸小于某临界尺寸（~10-15纳米）时，纳米金属由于大量晶界的存在会出现软化现象。一般认为这一软化过程是由于塑性变形机制由位错主导向晶界滑动主导转变所致。然而，利用传统拉伸或硬度测试方法通常很难准确测量晶粒尺寸小于15纳米材料的机械性能，因而对于晶粒尺寸更细的纳米金属而言，其强度是否遵循反Hall-Petch关系仍缺乏最直接和有效的证据。本研究首次将高压径向X射线衍射方法运用于测量纳米金属高压下的弹性及塑性形变，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。通过对纳米纯金属镍进行高压变形研究，发现其强度随着晶粒尺寸减小持续提高，并且晶粒尺寸越小其强化效果越显著。在所研究的最小晶粒尺寸（3纳米）样品中，获得了4.2 GPa的超高屈服强度，比常规商业纯镍强度提高了10倍，同时实现了最大流变应力10.2 GPa。塑性计算模拟和透射电子显微镜分析表明，压缩引起的全位错和不全位错的强化、以及晶界塑性变形的抑制导致了高压细晶强化。上述发现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。该工作详见Nature 579 (2020) 67-72。课题组冯宗强为共同第一作者，黄晓旭为共同通讯作者。

图1. (a) 高压变形条件下纯镍样品强度随着晶粒尺寸减小而持续提高；(b) 高分辨电镜照片显示平均晶粒尺寸3纳米纯镍样品的变形组织与位错结构。

写稿人：冯宗强