我校西部关键有色金属研究取得系列突破性进展
我国西部地区是镍、钛等关键战略有色金属资源主要富集地与产业聚集区。聚焦镍、钛等有色金属新材料的研发与应用对推动西部科技创新进而支撑国家新质生产力形成与发展具有重要意义。近期，省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和和材料科学与工程学院甘肃省材料基因与结构基础学科研究中心可持续材料设计与模拟研究团队在镍、钛等西部关键有色金属材料研究上取得系列突破性进展，相关成果分别在金属材料和腐蚀领域顶级期刊上发表。
一、镍晶界弛豫研究进展在金属材料TOP期刊《Acta Materialia》发表
塑性变形诱导的晶界弛豫是提高纳米金属结构稳定性及力学性能的有效途径。位错和孪生作为临界尺寸以下纳米金属塑性变形的主要机制，对晶界弛豫起着关键作用。塑性变形过程中层错导致的晶界分解已被证实为晶界弛豫的一种重要方式，但变形孪生如何诱导晶界弛豫尚未澄清。可持续材料设计与模拟研究团队利用分子动力学模拟方法和镍、铜纳米双晶模型，揭示了变形孪生诱导晶界弛豫的原子机制。孪生再取向是晶界结构发生Σ5-Σ11低能化转变的根本原因。孪生导致的晶界结构转变在提高晶界强度和热力学稳定性的同时，还可以抑制剪切耦合晶界迁移、提高晶界动力学稳定性。研究工作不仅建立了变形孪生与晶界弛豫的关联，而且为全面理解纳米晶镍、铜的晶界弛豫方式提供了新途径。相关结果以题为“Twinning-induced energy-lowering structural transformation of Σ5 [001](210) grain boundary: A pathway to grain-boundary relaxation”发表在金属材料领域TOP期刊《Acta Materialia》上（中科院一区，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120829）。兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院作为第一完成单位；薛红涛副研究员为第一作者，南京理工大学张勇教授为共同通讯作者。
二、环境介质（海水和空气）对TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响在《Corrosion Science》 发表
研究致力于提升TC4钛合金抗裂纹扩展性能，通过在不同环境（海水和空气）中开展疲劳裂纹扩展实验，阐明海洋环境中应力和腐蚀这两个因素共同作用时的裂纹扩展机理。通过研究海水和空气中疲劳裂纹扩展速率不同的原因，分析微观组织、裂纹萌生位置、主裂纹路径、循环塑性区、裂纹周围的滑移和孪生等变形机制对裂纹扩展速率、扩展路径的影响。文章中提出了TC4合金在海水中的疲劳裂纹扩展速率明显快于空气中的原因，实验结果表明，海水中复杂的离子环境会降低疲劳裂纹扩展的阻力。特别是，海水中的氢脆和Cl-引起的α/β界面相的损伤加速了疲劳裂纹沿相界面的扩展，尽管α/β界面相的存在可以降低空气中裂纹的扩展速率。该研究不仅深入理解材料力学本质，为TC4钛合金的开发及工程应用奠定了坚实基础，还为提升TC4钛合金抗裂纹扩展性能提供帮助，在更广泛领域的应用提供更多的理论和实验指导。
相关结果以题为“Effect of environmental media on the growth rate of fatigue crack in TC4 titanium alloy: Seawater and air”发表在金属材料腐蚀领域TOP期刊《Corrosion Science》上（中科院一区，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.111941）。兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院作为第一完成单位；任军强副研究员为第一作者，黄淮学院王启副教授为共同通讯作者。
三、铜、铝Schwarz受限晶体结构研究进展在《Scripta Materialia》发表
随着纳米材料在航空航天、电子器件和能源存储等领域的广泛应用，纳米晶体的热稳定性问题成为材料科学研究的热点之一。特别是对于极小尺寸纳米金属材料，晶界的迁移和晶粒的长大是影响其性能稳定性的关键因素。针对面心立方金属铜和铝中Schwarz晶体的热稳定性问题，可持续材料设计与模拟研究团队与中国科学院金属研究所联合开展研究并取得重要进展。研究发现，Schwarz晶体的热稳定性与其晶界形状、晶界间距以及晶界能量的各向同性程度密切相关；在此基础上，研究团队提出了一种热力学模型，可成功描述纳米尺度下Schwarz晶体热稳定性的尺寸依赖性，为纳米金属微观结构设计和性能优化提供了新的理论依据。该模型不仅适用于面心立方金属，还可推广到其他晶体结构的金属和合金中。这项工作以“Isotropic grain boundaries and size-dependent thermal stability of Schwarz crystals Cu and Al at nanoscales”为题，发表在国际知名期刊《Scripta Materialia》上（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116572）。兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院作为第一完成单位；研究团队博士研究生杨丹为第一作者，中国科学院金属研究所金朝晖研究员为通讯作者。
上述系列研究工作得到中组部“西部之光”人才培养计划、甘肃省科技重大专项（22ZD6GA008）和甘肃省材料基因与结构基础学科研究中心（甘肃省基础研究创新群体25JRRA803）等项目的资助。
（撰稿：汤富领，终审：李元东）
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