浙江大学王江伟研究员Nat. Commun.: 晶界迁移的台阶机制

【引 言】

晶界迁移（grain boundary migration）是多晶和纳米晶材料中一种常见的塑性变形方式，深入研究其微观变形机制对调控材料的力学性能具有非常重要的意义。然而，受制于现有的实验技术手段，实时观测应力作用下晶界处原子结构的动态演变过程仍然面临着巨大的挑战，极大地限制了人们对于材料塑性变形过程中晶界机制的系统研究和深入理解。因此，亟需开发新的实验方法，为建立完整的晶界变形理论提供有力的实验依据，进而为改善材料的力学性能提供新思路。

【成果简介】

近日，浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、王江伟研究员与加拿大曼尼托巴大学Chuang Deng教授、美国匹兹堡大学S.X. Mao教授等合作，结合先进的原位电镜技术和分子动力学模拟，从原子尺度揭示了切应力作用下Disconnection机制主导的晶界迁移行为, 进一步发展和完善了晶界变形理论，为通过晶界结构调控优化材料力学性能提供了新思路。研究人员利用先进的球差校正电子显微镜结合力-电耦合原位样品杆，通过巧妙的实验设计发展出一种独特的原位制样和力学实验方法，高质量地制备出了多种包含不同类型晶界的金属纳米结构，并实现了稳定的原位剪切加载。本文结合先进的原位电镜技术和分子动力学模拟，从原子尺度揭示了剪切应力作用下不同结构的晶界通过disconnection形核、滑移和交互作用实现往复迁移的普适机制。进一步研究发现，纳米晶材料中的三叉晶界可以作为disconnection形核的有效位置，促进晶界迁移，并且其它晶界缺陷（如位错）对该迁移不产生明显的钉扎作用，显著提高了材料的塑性变形能力。相关成果以“In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1 Σ11(113)晶界在剪切加载下的迁移过程

（a）原位制备的包含一个Σ11(113)对称倾转晶界的Au纳米双晶结构。白色矩形框标识出晶界上的一个disconnection

（b-e）剪切加载下由晶界disconnection连续形核和滑移主导的Σ11(113)晶界向下迁移，蓝色和红色箭头分别指示disconnection滑移方向和晶界迁移方向。

（f） FFT图证实原位制备的Σ11(113)晶界结构的对称性

（g）白色矩形框内所示disconnection核心的原子结构

图2 Σ11(113)晶界上两种不同的disconnection及其滑移过程

（a-b）Σ11(113)晶界上的单原子层型和双原子层型disconnection。

（c-e）单原子层型disconnection滑移导致的晶界迁移

（f-h）双原子层型disconnection滑移导致的晶界迁移

（i-k）及（l-n）分子动力学模拟给出的单层和双层disconnection滑移导致的晶界迁移过程，相应的伯氏矢量分别为和

图3 不同类型的Disconnection在滑移过程中发生动态交互作用

（a）Σ11(113)晶界上三个单层disconnection相继从左侧表面形核

（b-f）Disconnection在滑移过程中伴随多次动态合成与分解的交互作用

（g-j）分子动力学模拟给出的disconnection动态分解与分合成过程

（k）Disconnection动态交互作用及相应晶界迁移的示意图

图4 Σ11(113)晶界在循环加载过程中可通过disconnection机制实现往复迁移

（a-c）施加向左的切应力，晶界向上迁移

（d-e）剪切应力反向，施加向右的切应力，晶界向下迁移

（f）第二个加载周期，再次施加向右的切应力，晶界再次向上迁移

图5晶界附近的其他缺陷（如层错、位错）等对晶界迁移的台阶机制影响不大

（a-c）在原位制备的Σ11(113)晶界结构中引入交互层错，在晶界与层错交互情况下依然由disconnection主导的Σ11(113)晶界迁移

（d-f）原位制备的θ=57°<110>非对称大角度倾转晶界结构，晶界面及周围存在大量的全位错，然而位错对晶界并没有明显的钉扎作用。在切应力作用下，disconnection仍然主导θ=57°<110>晶界的迁移，并且和全位错没有明显的交互作用

图6 Disconnection在复杂晶界结构塑性变形中的作用机制

（a）纳米晶体中的三叉晶界结构

（b-c）Disconnection 1从三叉晶界处形核并在GB2上滑移，导致相应的晶界迁移
（d-f）多个Disconnection连续从三叉晶界处形核，并在GB2上滑移，导致GB2的大幅度迁移

【小 结】

该工作通过发展先进的原位制备技术和原位力学实验方法，高质量地制备出多种包含不同类型晶界的金属纳米结构；在实现了稳定的原位剪切加载的基础上，借助高速相机实时捕捉变形过程中晶界结构的动态演变过程。该方法可高效制备各种不同类型的晶界，从而为晶界变形行为的研究提供了一种有效的手段。本文以Σ11(113)晶界为模板从原子尺度上动态直观地揭示了通过disconnection的表面形核、滑移和交互作用实现的晶界迁移机制。紧接着在不同的大角度倾转晶界结构中验证了该迁移机制的普适性，并在复杂晶界结构中揭示了disconnection的三叉晶界形核机制，完善了目前对于晶界变形行为的认识。进一步研究发现，由disconnection主导的晶界往复迁移可有效提高金属纳米结构在循环加载条件下的变形能力，为通过晶界结构调控改善材料的力学性能提供了新思路。

文献连接：DOI: 10.1038/s41467-018-08031-x

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

本研究得到了国家自然科学基金、青年千人计划和中央高校基本科研业务专项基金的资助。

本文由浙江大学张泽、王江伟团队供稿，材料人编辑部编辑。

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