浙江大學王江偉研究員Nat.?Commun.:?晶界遷移的臺階機制

【引 言】

晶界遷移（grain?boundary migration）是多晶和納米晶材料中一種常見的塑性變形方式，深入研究其微觀變形機制對調控材料的力學性能具有非常重要的意義。然而，受制于現有的實驗技術手段，實時觀測應力作用下晶界處原子結構的動態演變過程仍然面臨著巨大的挑戰，極大地限制了人們對于材料塑性變形過程中晶界機制的系統研究和深入理解。因此，亟需開發新的實驗方法，為建立完整的晶界變形理論提供有力的實驗依據，進而為改善材料的力學性能提供新思路。

【成果簡介】

近日，浙江大學材料科學與工程學院張澤院士、王江偉研究員與加拿大曼尼托巴大學Chuang Deng教授、美國匹茲堡大學S.X. Mao教授等合作，結合先進的原位電鏡技術和分子動力學模擬，從原子尺度揭示了切應力作用下Disconnection機制主導的晶界遷移行為,?進一步發展和完善了晶界變形理論，為通過晶界結構調控優化材料力學性能提供了新思路。研究人員利用先進的球差校正電子顯微鏡結合力-電耦合原位樣品桿，通過巧妙的實驗設計發展出一種獨特的原位制樣和力學實驗方法，高質量地制備出了多種包含不同類型晶界的金屬納米結構，并實現了穩定的原位剪切加載。本文結合先進的原位電鏡技術和分子動力學模擬，從原子尺度揭示了剪切應力作用下不同結構的晶界通過disconnection形核、滑移和交互作用實現往復遷移的普適機制。進一步研究發現，納米晶材料中的三叉晶界可以作為disconnection形核的有效位置，促進晶界遷移，并且其它晶界缺陷（如位錯）對該遷移不產生明顯的釘扎作用，顯著提高了材料的塑性變形能力。相關成果以“In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 Σ11(113)晶界在剪切加載下的遷移過程

（a）原位制備的包含一個Σ11(113)對稱傾轉晶界的Au納米雙晶結構。白色矩形框標識出晶界上的一個disconnection

（b-e）剪切加載下由晶界disconnection連續形核和滑移主導的Σ11(113)晶界向下遷移，藍色和紅色箭頭分別指示disconnection滑移方向和晶界遷移方向。

（f） FFT圖證實原位制備的Σ11(113)晶界結構的對稱性

（g）白色矩形框內所示disconnection核心的原子結構

圖2 Σ11(113)晶界上兩種不同的disconnection及其滑移過程

（a-b）Σ11(113)晶界上的單原子層型和雙原子層型disconnection。

（c-e）單原子層型disconnection滑移導致的晶界遷移

（f-h）雙原子層型disconnection滑移導致的晶界遷移

（i-k）及（l-n）分子動力學模擬給出的單層和雙層disconnection滑移導致的晶界遷移過程，相應的伯氏矢量分別為和

圖3 不同類型的Disconnection在滑移過程中發生動態交互作用

（a）Σ11(113)晶界上三個單層disconnection相繼從左側表面形核

（b-f）Disconnection在滑移過程中伴隨多次動態合成與分解的交互作用

（g-j）分子動力學模擬給出的disconnection動態分解與分合成過程

（k）Disconnection動態交互作用及相應晶界遷移的示意圖

圖4 Σ11(113)晶界在循環加載過程中可通過disconnection機制實現往復遷移

（a-c）施加向左的切應力，晶界向上遷移

（d-e）剪切應力反向，施加向右的切應力，晶界向下遷移

（f）第二個加載周期，再次施加向右的切應力，晶界再次向上遷移

圖5晶界附近的其他缺陷（如層錯、位錯）等對晶界遷移的臺階機制影響不大

（a-c）在原位制備的Σ11(113)晶界結構中引入交互層錯，在晶界與層錯交互情況下依然由disconnection主導的Σ11(113)晶界遷移

（d-f）原位制備的θ=57°<110>非對稱大角度傾轉晶界結構，晶界面及周圍存在大量的全位錯，然而位錯對晶界并沒有明顯的釘扎作用。在切應力作用下，disconnection仍然主導θ=57°<110>晶界的遷移，并且和全位錯沒有明顯的交互作用

圖6 Disconnection在復雜晶界結構塑性變形中的作用機制

（a）納米晶體中的三叉晶界結構

（b-c）Disconnection 1從三叉晶界處形核并在GB2上滑移，導致相應的晶界遷移
（d-f）多個Disconnection連續從三叉晶界處形核，并在GB2上滑移，導致GB2的大幅度遷移

【小?結】

該工作通過發展先進的原位制備技術和原位力學實驗方法，高質量地制備出多種包含不同類型晶界的金屬納米結構；在實現了穩定的原位剪切加載的基礎上，借助高速相機實時捕捉變形過程中晶界結構的動態演變過程。該方法可高效制備各種不同類型的晶界，從而為晶界變形行為的研究提供了一種有效的手段。本文以Σ11(113)晶界為模板從原子尺度上動態直觀地揭示了通過disconnection的表面形核、滑移和交互作用實現的晶界遷移機制。緊接著在不同的大角度傾轉晶界結構中驗證了該遷移機制的普適性，并在復雜晶界結構中揭示了disconnection的三叉晶界形核機制，完善了目前對于晶界變形行為的認識。進一步研究發現，由disconnection主導的晶界往復遷移可有效提高金屬納米結構在循環加載條件下的變形能力，為通過晶界結構調控改善材料的力學性能提供了新思路。

文獻連接：DOI:?10.1038/s41467-018-08031-x

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08031-x

本研究得到了國家自然科學基金、青年千人計劃和中央高校基本科研業務專項基金的資助。

本文由浙江大學張澤、王江偉團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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