北工大韓曉東聯合浙大張澤在science新突破：在原子尺度上跟蹤晶界的滑動

01【導讀】

? 晶界（GB）是分離不同晶體取向的晶粒的界面。當相鄰的兩個晶粒發生平行于邊界面的相對位移時，GB發生滑動。多晶材料在高溫下的擴散蠕變和常溫下的塑性變形會對材料的非彈性變形產生強烈的影響。近年來，GB滑動在納米晶金屬的塑性變形和晶粒尺寸穩定研究中受到了廣泛的關注。雖然利用各種原位和非原位實驗技術對GB介導的變形進行了研究，但GB滑移所采用的原子尺度過程仍不清楚，這主要是因為缺乏直接的高分辨率實驗觀測。在過去的幾年中，原位原子分辨實驗取得了迅速的進展。然而，與一般GB變形相關的原子尺度過程還沒有明確的解決，主要是因為在GB變形過程中跟蹤原子運動是極其困難的。

? 原子建模和模擬已經為我們提供了目前對伴隨GB變形的原子尺度事件的大部分理解。例如，分子動力學(MD)模擬研究了面心立方(FCC)雙晶體中特殊類型的重合點陣傾斜GBs的力學行為。這些模擬表明，通過GB和相鄰晶格之間的結構單元轉換，GB滑動和遷移之間存在很強的耦合，這種耦合允許在GB結構沒有變化的情況下滑動。

02【成果掠影】

? 今日，北京工業大學韓曉東教授聯合美國佐治亞理工學院Zhu Ting教授和浙江大學張澤教授進行了原位原子分辨率研究，以揭示如何在鉑雙晶中的一般傾斜GB上實現滑動主導變形。觀察到沿GB的直接原子尺度滑動或在邊界平面上的原子轉移滑動。后一種滑動過程是由使GB原子能夠傳輸的斷開運動介導的，從而導致了以前無法識別的耦合GB滑動和原子平面轉移的模式。

? 作者展示了一個時間序列的原位Cs-TEM圖像，該圖像提供了一個具有代表性的例子，即非對稱<110>-傾斜GB滑動約19 ?，相鄰晶粒之間的取向錯誤角為20.1°（圖 1，A 到 H）。初始GB片段的放大 Cs-TEM 圖像顯示左側(G_L ) 和右側(G_R?) 晶粒均與<110>區軸對齊，因此白點代表<110>的投影原子柱（圖 1I）。一般的高角度傾斜GB在原子尺度上很少是平坦的。常見的不對稱GB（通常在真實多晶中觀察到）傾向于形成具有原子級臺階的原子級刻面（在GB平面的一側或兩側）。對于所研究的GB段（圖1I），邊界的一側在晶粒 G_R的表面上呈現平坦、緊密堆積的{111}晶面，而另一邊則涉及到顆粒G_L表面的原子級波紋，這反映了該晶粒面是晶粒G_L的高指數{331}平面這一事實。

03【數據概覽】

圖 1。Pt 雙晶中不對稱傾斜 GB 的原子尺度滑動。

圖 2。以非對稱 <110> 傾斜 GB 原子分辨滑動。

圖 3。原子柱軌跡的自動跟蹤。

圖 4。GB Lomer 鎖的運動和形成。

04【成果啟示】

? 跟蹤 GB 的時間分辨、原子尺度運動的能力為深入了解 GB 滑動機制和多晶材料的機械行為提供了機會。以前沒有報道過一些觀察到的一般傾斜GB滑動的原子機制。目前的結果清楚地顯示了一般 GB 在低溫下是如何滑動的，并且沒有（或很少）伴隨 GB 遷移。總的來說，這項工作展示了利用原位原子分辨率 TEM 實驗來理解多晶材料中界面介導的變形和失效機制的巨大潛力，并為實驗和原子建模之間的高分辨率握手提供了新的機會。