Nanokornade metaller och legeringar, vars kornstorlek är mindre än 100 nm, uppvisar extremt hög hållfasthet och hög formbarhet, har utmärkta mekaniska egenskaper. Nanograinerade material, dock, har ett stort antal korngränser och därmed hög total korngränsenergi. Vid en temperatur högre än en kritisk temperatur, korn i nanokorniga material kommer att växa spontant för att minska korngränsenergin, leder till termisk instabilitet hos materialen. Ett vanligt tillvägagångssätt för att förbättra termisk stabilitet är via korngränsenergisegregering, som termodynamiskt sänker korngränsenergin och kinetiskt stiftar rörelsen av korngränser, för att därigenom öka den kritiska temperaturen för omkristallisation. Dock, mekaniska påfrestningarnas roll i den termiska stabiliteten har ännu inte systematiskt studerats.

En nyligen publicerad artikel med titeln "Grain boundary segregation and relaxation in nano-grained polycrystalline alloys, " i SCIENCE KINA Fysik, Mekanik och astronomi , studerar systematiskt den termiska stabiliteten hos nanokornade legeringar, genom analytisk undersökning av tre kopplade beteenden mellan korngränser och kristallina korn bland kemiska koncentrationer och mekaniska spänningar. De tre kopplade beteendena är 1) kopplingen mellan korngränsspänning och kornspänning, 2) korngränssegregering, och 3) kopplingen mellan koncentration och stress. Till sist, ett nytt termodynamiskt kriterium har utvecklats för den termiska stabiliteten hos nanokornade legeringar, vilket visar påfrestningar spelar en oerhört roll där. Författarna till tidningen är Zhang Tong-Yi, Gao Yingxin och Sun Sheng från Materials Genome Institute, Shanghais universitet.

Den termodynamiska energin är uppdelad i den mekaniska energin och den kemiska energin och båda är kopplade till varandra. Analysen av mekanisk energi tar hänsyn till korngränsegenspänningen och egentöjningen som induceras av korngränssegregation och utvecklar en hybridmetod för att lösa problemet med egenspänning och egentöjningskoppling. Den kemiska termodynamiska analysen beaktar skillnaden i de kemiska potentialerna för rena element i spannmålsgränser och korn, och föreslår därför en generaliserad McLean adsorptionsisoterm, som naturligtvis innefattar stresstermen. Baserat på de tre koherenta kopplingseffekterna, ett nytt kriterium utvecklas för den termiska stabiliteten hos nanograinerade legeringar, och kvantitativt och analytiskt uttryckt av skillnaden i molär fri energi mellan en nanokornig polykristallin legering och dess motsvarighet i enkristall. En positiv eller negativ skillnad i molär fri energi indikerar att den nanokornade legeringen är termiskt instabil eller stabil.

Ni1-xMox binära legeringar tas som ett exempel för att illustrera, med figurer, de teoretiska resultaten och rollerna för varje parameter som ingår i det analytiska kriteriet. Den föreliggande studien visar att spänningar spelar en avgörande roll för den termiska stabiliteten hos nanokornade legeringar. Alla kriterier utan att ta hänsyn till inre spänningar skulle delvis uppskatta den termiska stabiliteten hos nanokornade legeringar.