宾汉姆顿大学Nat. Mater.：位错成核新机理-原子的偏析

【引言】

金属材料的合金化是改善其机械强度、延展性、韧性、耐腐蚀性和催化性等性能的常用方法。材料局部组成发生的微小变化都会导致其性质的急剧变化：例如表面发生变化，影响其催化性和耐腐蚀性；而在晶界处，影响其断裂强度；位错处影响其塑性变形；想界面处影响其粘附性和完整性等。因而合金组成的变化可以通过局部的偏析现象显著地在宏观世界中表现出来。近日，有学者研究了铜金固溶体表面位错成核的机理，解释了异构材料系统中异质界面上的位错如何成核和滑移。

【成果简介】

近日，美国宾汉姆顿大学Guangwen Zhou (通讯作者)团队在Nat. Mater.上发布了一篇关于合金表面位错成核机理的文章，题为“Dislocation nucleation facilitated by atomic segregation”。 作者以铜金固溶体为例，解释了位错形核是由表面偏析引起的成分变化所导致。通过动态原子尺度分辨电子显微镜观察和理论建模，观察到位错的运动，并且阐明了在升温条件下与位错成核、滑移、攀移和消失相关的特定原子尺度机理。

 [致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 Guangwen Zhou 的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！] 

【图片导读】

图1 固溶体中Au的表面偏析

(a) Cu₉₀Au₁₀在350℃下退火后的TEM图像；

(b) (110)晶面的高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)照片;

(c) 最顶端的原子层呈现沟槽构型；

(d) (110)晶面上Cu₃Au偏析层模型的结构模型；

(e) 模拟(110)晶面的高分辨率透射电镜(HRTEM)照片。

图2 原位透射电子显微镜观察Cu3Au与Cu(Au)界面处的位错

(a-b) (110)晶面的原位HRTEM图像；

(c-f) 表面吸收过程导致Cu₃Au与Cu(Au)界面处位错形核。

图3 滑移和攀移位错的HRTEM表征以及原位TEM观察

(a) Cu₃Au与 Cu(Au)界面处出现位错；

(b) Cu(Au)区域出现螺型位错;

(c) 位错核心结构的HRTEM显微照片；

(d) 原子模型模拟HRTEM显微照片；

(e-h) 位错沿Cu₃Au与 Cu(Au)的界面发生滑移；

(i-l) 位错向外界面进行攀移；

(m-p) 位错攀移至Cu(Au)区域。

图4 近表面位错建模

(a) 纯铜中位错不稳定并消失；

(b) 螺型位错沿Cu₃Au与 Cu(Au)的界面滑移，没有穿过Cu₃Au层;

(c) 从[001]方向观察到有序的L₁₂结构；

(d) Cu3Au表层中引入位错后的松弛MD构型；

(e) 位错攀移力和位错之间距离的函数关系图。

【小结】

这篇文章以铜金固溶体为例，研究了合金表面位错成核的机理。研究结果表明，表面偏析引起的组分变化是驱动失配位错形核和迁移应变/应力的因素。此外，文章阐述了如何利用合金组分的表面偏析来理解位错的形成过程。表面偏析驱动的相变会在合适的表面或内部界面处形成薄外延层，这种机制在其他材料系统中依然可以看到。文中所描述的现象对于表面和界面性质的理解具有更深刻的含义，清楚地表明原子偏析不仅改变了固溶体表面和次表面区域中的成分，同时还改变了原子结构和应变状态。

文献链接：Dislocation nucleation facilitated by atomic segregation (Nat. Mater., 27 November, 2017 , DOI: 10.1038/nmat5034）

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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