浙大《Nature Communications》:晶界可動性的動態調整機制

引 言

晶界是材料的力學、物理和化學性能的結構基礎，在金屬材料的塑性變形和強韌化中發揮著關鍵作用。傳統理論認為，晶界的變形行為取決于其本征的幾何和原子結構（如曲率、取向差、晶界平面傾角等）。然而，除晶界初始結構外，晶界構型和變形能力會受局部應力狀態和機械加工歷史的顯著影響。伴隨晶界形變，晶界處的缺陷發射或吸收（如形變孿晶）會改變晶界的微觀構型，進而導致晶界可動性的動態轉變。因此，系統研究晶界的動態變形能力對于全面理解晶界的塑性變形行為、材料的力學性能調控具有重要意義。

成果簡介

近日，浙江大學交叉力學中心楊衛院士、周昊飛研究員團隊與浙江大學材料科學與工程學院張澤院士、王江偉研究員團隊提出了一種孿生誘導下晶界可動性的動態調整機制。以面心立方金屬Au為例，結合原位電鏡技術和分子動力學模擬，研究人員系統揭示了大角晶界在遷移過程中通過剪切主導的形變孿晶行為調節自身結構，最終改變晶界塑性變形能力的原子尺度機制。基于實驗和模擬結果，提出了一種晶界幾何（傾轉角和晶界面取向）主導的晶界結構動態調節模型。該模型進一步闡明了面心立方金屬晶界在不同晶粒尺寸、加載模式、晶界幾何等條件下普遍存在的動態結構調整行為，構建了晶界微觀結構演化與晶界穩定性的動態關聯，為利用晶界動力學調控提升材料性能提供了重要的理論基礎。相關成果以“Twinning-assisted dynamic adjustment of grain boundary mobility ”為題發表在Nature?Communications上。

論文DOI : 10.1038/s41467-021-27002-3

圖文導讀

圖1. 形變孿晶誘導的晶界結構動態轉變及可動性調整。(a)包含一條23°<110>傾轉晶界（GB_1-2）的Au納米雙晶。(b-c)軸向拉伸下初始晶界遷移；同時孿晶從下表面形核并沿晶界擴展，將局部GB_1-2轉變為47°的GB_T-2。(d-f)完全孿生后，新形成的GB在拉伸載荷下加速遷移。(g-j)初始和孿晶誘導轉變后的晶界結構。 (k)加載過程中晶界遷移距離-時間曲線。

圖2. 晶界介導的變形孿生動力學機制。(a-c)分子動力學模擬軸向拉伸下晶界不同位置發生孿晶形核、沿晶界擴展并最終相連，導致晶界結構轉變。(d-f)不同晶界平臺（A-C）在晶界結構動態調整中的作用機制。 孿生優先發生在A平臺， 同時B,C沿晶界滑移促進孿晶的擴展。

圖3. 晶界可動性自身調整機制的微觀結構分析。(a)分子動力學模擬剪切載荷下孿生誘導晶界轉變過程中的原子結構調整。GB_1-2處原子的局部重排促進孿晶形核，沿晶界互連最終完全轉化為GB_T-2。(b) 拉伸載荷下主要表現為彈性變形。(c)?晶界遷移的理論彈性驅動力-施加正應變曲線。(d)?晶界的熱遷移能比較。

圖4. 基于幾何形狀的晶界自身調整變形的孿生趨勢模型。(a-d)依賴于晶界取向差的不同變形模式。20°和36°<110>傾轉GBs形變孿晶誘導的晶界結構動態調整;?50°<110>傾轉晶界位錯發射和滑移變形。(e)隨晶界取向差變化的孿生趨勢和晶界能。(f)關于晶界取向差和晶界平面傾角的孿生趨勢預測。(g)87°<110>傾轉晶界發生能量不利的變形孿生，形成22.5°晶界和孿晶界。

圖5. 納米晶金屬中孿生誘導的晶界變形。(a-c)大角晶界中伴隨晶界旋轉發生孿晶形核及晶界結構轉變。(d-f)小角晶界中變形孿生輔助的晶界結構變形。(g-h)分子動力學模擬中87°晶界通過晶界分解誘導的孿生轉變為22.5°晶界。(i)不同晶粒尺寸及晶界幾何條件下面心立方金屬中普遍存在的晶界轉變。

本工作得到了國家自然科學基金委的資助。博士生黃綺珊、祝祺博士、博士生陳映彬為論文共同一作，浙江大學周昊飛研究員、王江偉研究員和美國內布拉斯加大學王健教授為論文通訊作者，張澤院士、楊衛院士對本工作提出了寶貴的指導意見。

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