北京工业大学韩晓东团队Nat. Commun.：面心立方结构材料形变孪晶形核新路径

【引言】

面心立方(FCC)结构材料是世界上应用最广泛和最基础的结构材料。形变孪晶是面心立方结构材料塑性加工变形的基本方式之一，其对发展强韧化材料及其加工制造工艺具有重大意义。经典形变孪晶形核理论认为形变孪晶通过在密排原子面上，层与层之间连续发射偏位错（产生层错）形核。但这种经典孪晶形核理论无法解释长期困扰该领域的一个重大基础科学问题：具有高孪晶形核能垒(例如Pt、Al、Ni等材料）的面心立方结构材料在粗晶中无变形孪晶产生，而其纳米多晶体系却有大量形变孪晶。近日，北京工业大学韩晓东研究团队在张泽院士指导下，基于发展的原创性实验方法，对Pt纳米晶中孪晶形核过程进行了原位原子尺度动态研究，发现并提出了新的孪生路线，解决了长期困扰该领域的一个基础性科学问题。

【成果简介】

近日，来自北京工业大学的韩晓东教授、日本东北大学的陈明伟教授、美国佐治亚理工学院的朱廷教授(共同通讯作者)、浙江大学张泽院士、美国约翰霍普金斯大学马恩教授、美国伦斯勒理工学院张绳百教授、吉林大学李贤斌教授、北京科技大学腾蛟教授等，在Nat. Commun.上发表了一篇关于纳米晶Pt孪晶形核行为及原子机理的文章，题为“New twinning route in face-centered cubic nanocrystalline metals”。 该论文共同第一作者为北京工业大学韩晓东教授团队的年轻教师王立华以及北京科学计算研究中心管鹏飞研究员。论文报道了由晶界发射偏位错，Pt纳米多晶体系的孪晶形核过程的原位原子尺度观察。与经典的孪生路线不同，形变孪生是由两个相隔一个原子层的堆垛层错（由偏位错发射产生）形核开始，然后在这两个堆垛层错之间再发射偏位错直接形核孪晶。通过这条路径，三层的孪晶形核可以不通过逐层发射偏位错实现，且形核势垒远低于传统孪晶形核路径。

【图片导读】

图1 三层孪晶形核过程的像差校正HRTEM图像

(a) 变形前，纳米晶内部没有观察到缺陷；

(b) 变形过程中，晶粒内发现相隔一个原子层的两个堆垛层错(SF);

(c) 继续变形，在先前形成的SF之间发射偏位错形成三层孪晶。

图2 三层孪晶形核示意图

(a) 图1b放大后的HRTEM图像；

(b) 完整FCC晶格结构;

(c) 与 (b)对应的模拟HRTEM图像；

(d) FCC完整晶格的ABCABC堆垛顺序示意图；

(e) 与(a)中方框区域对应的放大图;

(f) 与(e) 对应的模拟HRTEM图像；

(g) 相隔一个原子层的两个SF示意图；

(h)三层孪晶放大后的HRTEM图像;

(i)与 (h)对应的模拟HRTEM图像；

(j) 三层孪晶形核图示。

图3 新旧孪晶形核路线的示意图

(a) 传统的孪生路线，连续发射三个偏位错产生堆垛层错，导致孪晶形核；

(b) 新的孪生路线，两个偏位错相隔一个原子层发射，导致相隔一个原子层的两个堆垛层错产生，在之前的堆垛层错将形成第三个偏位错，导致孪晶形核。

图4 密度泛函理论计算

(a)经典模型中孪晶形核的原子结构(路径A)；

(b)新模型中孪晶形核的原子结构(路径A);

(c) 计算出的能量变化。

【小结】

该课题组基于发展的国际领域原创性实验方法【美国专利：US8,069,733B2】，在球差矫正透射电镜中实现了孪晶形核过程的原位原子分辨率实验观察，首次在原子层次揭示了与晶界相关的塑性行为及其原子机理，揭示出高孪晶形核能垒材料的孪晶形核的路线。该新现象的发现及原子机理的揭示回答了长期困扰该领域的一个重大基础科学问题：具有高孪晶能垒(例如Pt、Al、Ni等材料）的面心立方结构材料在粗晶中无变形孪晶产生，而其纳米多晶体系却有大量形变孪晶产生的机理？在纳米晶材料中存在大量原子级台阶的晶界(GB)，有机会大概率形成高密度堆垛层错(SF)，形成远低于传统能量势垒的新孪生路线。该课题组的发现及相关研究揭示了面心立方结构材料新的弹-塑性行为及相关原子机制，为面心立方结构材料新的塑性变形理论提供了根本和基础的原子层次的动态实验数据。

【团队介绍】

北京工业大学韩晓东团队为固体微结构与性能北京市重点实验室核心成员。该团队在张泽院士指导下，历经十三载，独立、原创性地发展了原子尺度下材料实验力学行为研究的新方法及装置，将材料力学行为原位动态研究的空间分辨率由纳米提高至原子甚至亚埃层次。相关系统性的研究揭示了面心立方结构的单晶、多晶等材料的超常弹、塑性行为及原子机理，为大幅度提高结构及功能材料弹性应变、强度及探索加工制造工艺提供了新思路。相关成果获授权发明专利28项，国际专利4项，原创的方法及科学发现被收录于3本国际专著。成果获2016年度北京市科学技术奖一等奖（基础研究类），培养北京市优博奖4篇，全国优博及提名奖各1篇。部分成果入选“2007年中国高等院校十大科技进展”，被该领域国际专家评述为“开拓了原子层次分辨的材料力学行为原位动态实验研究的新领域”。

【相关文献推荐】

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)

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

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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