纳米金属与合金具有优异的力学性能，例如比其对应粗晶提高5-10倍的屈服强度、低温超塑性等，这取决于其特殊的塑性变形机制。分子动力学(MD)模拟表明纳米金属的塑性变形机制具有尺度效应：即在纳米晶粒尺度的下限范围(<~10-15 nm)为晶粒旋转/晶界滑动，在上限范围(50-100 nm)是与常规粗晶一致的位错塑性；而在晶粒尺度~15-50 nm内则表现出特殊的复杂性，有三种涉及从晶界依次发射偏位错的塑性变形过程(PDMPs)，即孪生以及形成层错和全位错(由柏氏矢量不同的两个偏位错合并而成)。然而，纳秒量级的MD模拟时间导致极高应变速率、极大应力的变形特性，与真实实验之间存在很大的距离。特别地，PDMPs正是目前最为关注的课题，其机制及其与力学性能的内禀关联尚未明晰，存在争议和许多未知。例如，PDMPs是否存在于纳米晶拉伸变形并为主要应变协调方式？温度、应变速率等怎样影响PDMPs？如果孪生为主要塑性变形机制，有哪些孪生机制及哪种机制占主导地位？非平衡晶界怎样影响塑性变形？纳米晶变形是否可有全位错滑移机制？位错形成及其与晶界交互作用等贡献高强度的机制是什么？

武晓雷研究员与合作者Ma En（John Hopkins Univ）、Zhu Yun-Tian（Los Alamos National Lab）教授对以上问题的研究取得进展。他们选取具有高层错能、面心立方结构的体纳米晶镍(Ni)，进行不同温度、应变速率的多种塑性变形。研究结果首次证实PDMPs确为纳米晶拉伸变形的主要塑性变形方式，观察到孪生、层错形成和位错滑移等PDMPs，但PDMPs仅在低温、而非室温发生，高应变速率下PDMPs的主要机制为孪生。实验观察到四种孪生机制，在相邻滑移面依次从晶界发射相同柏氏矢量偏位错是主导的孪生机制，观察到并提出全位错分解为偏位错、叠合而形成孪晶核并长大的孪生机制，提供了晶界分解而形成孪晶的直接实验证据，揭示了孪晶、位错和晶界的交互作用原理。晶界的非平衡性质强烈影响变形机制，使孪生易于发生，与位错分解、非平衡晶界特征和局部应力相关。纳米晶粒中可以存在密度很高的全位错，存在形式为离散位错、位错偶极子及位错环，提出纳米晶粒储存位错以及特殊位错组态提高纳米晶强度的机理。还进一步观察到在纳米晶粒之间、纳米晶粒内部不同区域之间均存在塑性变形的强烈非均匀性，不同PDMPs可以共存，这应为纳米晶塑性变形的内禀特性。针对塑性变形机制，解释了分子动力学模拟和真实实验结果之间差异的原因。以上研究对于构建纳米金属的塑性变形图、揭示塑性变形机制及其与力学性能的关联以及指导高性能纳米结构材料的力学设计途径具有重要意义。相关研究仍在深入进行中。

该项研究受国家自然科学基金（50471086、50571110）和国家973项目（2004CB619305）的资助，主要研究结果已系列发表于Nature Materials (影响引子15.9)　2006，5 (7)：515；Applied Physics Letters (影响引子4.1) 2006，88(6)：061905(p.1-3)； 88 (12)：121905(p.1-3)；88 (23)：231911(p.1-3)；89 (3)：031922(p.1-3)； Scripta Materialia (影响引子2.2) 2006，54 (9)：1685。