纳米多晶金属高强高韧，但热稳定差。一个全新的热稳定性判据表明内应力在纳米多晶合金的热稳定性起着重要作用。该文章发表在《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版2021年第2期。
晶粒尺寸小于100 nm的纳米晶金属，呈现出极高的强度和韧性，具有优异的力学性能。但纳米晶材料中存在大量晶界，总晶界能很高，热稳定性差，即当温度高于一临界温度时，晶粒将自发长大，导致其优异的力学性能丧失。稳定纳米晶材料热稳定性最常用的方法是添加溶质原子、造成晶界偏析。但是，内应力在纳米晶热稳定性中的作用还没有被系统地研究过。
《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版2021年第2期出版题为 “Grain boundary segregation and relaxation in nano-grained polycrystalline alloys”的论文，解析地分析了纳米多晶材料中晶界和晶粒中化学浓度与应力之间的三种耦合效应：（1）晶界和晶粒间的应力耦合，（2）晶界和晶粒间的化学浓度耦合， （3）化学浓度与应力之间的耦合。由此并基于热力学能量发展了一个全新的纳米多晶合金热稳定性判据，结果表明内应力在纳米多晶合金的热稳定性起着重要作用。文章作者为上海大学材料基因组工程研究院张统一、高莹馨和孙升。
论文将热力学能量在形式上分为力学和化学两部分。在力学上考虑了在无变形时的晶界本征应力和溶质偏析引起的本征应变，发展了本征应变和本征应力的混合分析方法。在化学方面考虑了溶质原子在晶界的纯组元化学势不同于其在晶粒内的纯组元化学势，发展了广义McLean吸附等温线模型，给出了晶界偏析方程。从而给出了这三种关于晶界和晶粒中化学成分浓度与应力之间耦合关系的解析表达式和纳米晶合金热稳定性新判据的解析表达式。该新判据基于纳米晶合金与其对应相同表观化学组分单晶的摩尔自由能之差。若此差小于等于零则稳定，否则即不稳定。论文以Ni1-xMox二元合金为例，详细分析了各种参数对晶粒和晶界中的溶质浓度、晶粒和晶界面内应力、单位晶界面积内晶界额外浓度和晶界额外自由能密度的影响。结果显示应力在纳米晶的稳定上发挥着至关重要的作用，凸显了力学在纳米晶热稳定性中的作用 。
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该项研究得到了国家重点发展研究计划（No. 2017YFB0701604）的资助。
文章信息：
T.-Y. Zhang, Y.-X. Gao, and S. Sun, Grain boundary segregation and relaxation in nano-grained polycrystalline alloys, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 64, 224611 (2021), https://doi.org/10.1007/s11433-020-1614-5 https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/64/2/10.1007/s11433-020-1614-5?slug=fulltext