北京工業大學韓曉東團隊Nat. Commun.：面心立方結構材料形變孿晶形核新路徑

【引言】

面心立方(FCC)結構材料是世界上應用最廣泛和最基礎的結構材料。形變孿晶是面心立方結構材料塑性加工變形的基本方式之一，其對發展強韌化材料及其加工制造工藝具有重大意義。經典形變孿晶形核理論認為形變孿晶通過在密排原子面上，層與層之間連續發射偏位錯（產生層錯）形核。但這種經典孿晶形核理論無法解釋長期困擾該領域的一個重大基礎科學問題：具有高孿晶形核能壘(例如Pt、Al、Ni等材料）的面心立方結構材料在粗晶中無變形孿晶產生，而其納米多晶體系卻有大量形變孿晶。近日，北京工業大學韓曉東研究團隊在張澤院士指導下，基于發展的原創性實驗方法，對Pt納米晶中孿晶形核過程進行了原位原子尺度動態研究，發現并提出了新的孿生路線，解決了長期困擾該領域的一個基礎性科學問題。

【成果簡介】

近日，來自北京工業大學的韓曉東教授、日本東北大學的陳明偉教授、美國佐治亞理工學院的朱廷教授(共同通訊作者)、浙江大學張澤院士、美國約翰霍普金斯大學馬恩教授、美國倫斯勒理工學院張繩百教授、吉林大學李賢斌教授、北京科技大學騰蛟教授等，在Nat. Commun.上發表了一篇關于納米晶Pt孿晶形核行為及原子機理的文章，題為“New twinning route in face-centered cubic nanocrystalline metals”。 該論文共同第一作者為北京工業大學韓曉東教授團隊的年輕教師王立華以及北京科學計算研究中心管鵬飛研究員。論文報道了由晶界發射偏位錯，Pt納米多晶體系的孿晶形核過程的原位原子尺度觀察。與經典的孿生路線不同，形變孿生是由兩個相隔一個原子層的堆垛層錯（由偏位錯發射產生）形核開始，然后在這兩個堆垛層錯之間再發射偏位錯直接形核孿晶。通過這條路徑，三層的孿晶形核可以不通過逐層發射偏位錯實現，且形核勢壘遠低于傳統孿晶形核路徑。

【圖片導讀】

圖1 三層孿晶形核過程的像差校正HRTEM圖像

(a) 變形前，納米晶內部沒有觀察到缺陷；

(b) 變形過程中，晶粒內發現相隔一個原子層的兩個堆垛層錯(SF);

(c) 繼續變形，在先前形成的SF之間發射偏位錯形成三層孿晶。

圖2 三層孿晶形核示意圖

(a) 圖1b放大后的HRTEM圖像；

(b) 完整FCC晶格結構;

(c) 與 (b)對應的模擬HRTEM圖像；

(d) FCC完整晶格的ABCABC堆垛順序示意圖；

(e) 與(a)中方框區域對應的放大圖;

(f) 與(e) 對應的模擬HRTEM圖像；

(g) 相隔一個原子層的兩個SF示意圖；

(h)三層孿晶放大后的HRTEM圖像;

(i)與 (h)對應的模擬HRTEM圖像；

(j) 三層孿晶形核圖示。

圖3 新舊孿晶形核路線的示意圖

(a) 傳統的孿生路線，連續發射三個偏位錯產生堆垛層錯，導致孿晶形核；

(b) 新的孿生路線，兩個偏位錯相隔一個原子層發射，導致相隔一個原子層的兩個堆垛層錯產生，在之前的堆垛層錯將形成第三個偏位錯，導致孿晶形核。

圖4 密度泛函理論計算

(a)經典模型中孿晶形核的原子結構(路徑A)；

(b)新模型中孿晶形核的原子結構(路徑A);

(c) 計算出的能量變化。

【小結】

該課題組基于發展的國際領域原創性實驗方法【美國專利：US8,069,733B2】，在球差矯正透射電鏡中實現了孿晶形核過程的原位原子分辨率實驗觀察，首次在原子層次揭示了與晶界相關的塑性行為及其原子機理，揭示出高孿晶形核能壘材料的孿晶形核的路線。該新現象的發現及原子機理的揭示回答了長期困擾該領域的一個重大基礎科學問題：具有高孿晶能壘(例如Pt、Al、Ni等材料）的面心立方結構材料在粗晶中無變形孿晶產生，而其納米多晶體系卻有大量形變孿晶產生的機理？在納米晶材料中存在大量原子級臺階的晶界(GB)，有機會大概率形成高密度堆垛層錯(SF)，形成遠低于傳統能量勢壘的新孿生路線。該課題組的發現及相關研究揭示了面心立方結構材料新的彈-塑性行為及相關原子機制，為面心立方結構材料新的塑性變形理論提供了根本和基礎的原子層次的動態實驗數據。

【團隊介紹】

北京工業大學韓曉東團隊為固體微結構與性能北京市重點實驗室核心成員。該團隊在張澤院士指導下，歷經十三載，獨立、原創性地發展了原子尺度下材料實驗力學行為研究的新方法及裝置，將材料力學行為原位動態研究的空間分辨率由納米提高至原子甚至亞埃層次。相關系統性的研究揭示了面心立方結構的單晶、多晶等材料的超常彈、塑性行為及原子機理，為大幅度提高結構及功能材料彈性應變、強度及探索加工制造工藝提供了新思路。相關成果獲授權發明專利28項，國際專利4項，原創的方法及科學發現被收錄于3本國際專著。成果獲2016年度北京市科學技術獎一等獎（基礎研究類），培養北京市優博獎4篇，全國優博及提名獎各1篇。部分成果入選“2007年中國高等院校十大科技進展”，被該領域國際專家評述為“開拓了原子層次分辨的材料力學行為原位動態實驗研究的新領域”。

【相關文獻推薦】

1. Han, XD; Zhang, YF; Zheng, K; Zhang, XN； Zhang, Z et al. Low-temperature in situ large strain plasticity of ceramic SiC nanowires and its atomic-scale mechanism. Nano Letters. 7:452-457 (2007).
2. Han, XD; Zheng, K; Zhang, YF; Zhang, XN et al. Low-temperature in situ large-strain plasticity of silicon nanowires. Advanced Materials. 19: 2112 (2007).
3. Wang LH, Liu P, Guan PF, Yang MJ, Sun JL, Cheng YQ, et al. In situ atomic-scale observation of continuous and reversible lattice deformation beyond the elastic limit. Nature Communications. 4: 2413 (2013)
4. Wang, LH; Teng, J; Liu, P, et al.; Grain rotation mediated by grain boundary dislocations in nanocrystalline platinum. Nature Communications. 5: 4402 (2014)
5. Wang, LH; Han, XD; Liu, P; Yue, YH; Zhang, Z; Ma, E. In Situ Observation of Dislocation Behavior in Nanometer Grains. Physical Review Letters. 105: 135501 (2010)

文獻鏈接： New twinning route in face-centered cubic nanocrystalline metals (Nat. Commun., 2017 , DOI: 10.1038/s41467-017-02393-4）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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