浙大《Nature Communications》:晶界可动性的动态调整机制

引 言

晶界是材料的力学、物理和化学性能的结构基础，在金属材料的塑性变形和强韧化中发挥着关键作用。传统理论认为，晶界的变形行为取决于其本征的几何和原子结构（如曲率、取向差、晶界平面倾角等）。然而，除晶界初始结构外，晶界构型和变形能力会受局部应力状态和机械加工历史的显著影响。伴随晶界形变，晶界处的缺陷发射或吸收（如形变孪晶）会改变晶界的微观构型，进而导致晶界可动性的动态转变。因此，系统研究晶界的动态变形能力对于全面理解晶界的塑性变形行为、材料的力学性能调控具有重要意义。

成果简介

近日，浙江大学交叉力学中心杨卫院士、周昊飞研究员团队与浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、王江伟研究员团队提出了一种孪生诱导下晶界可动性的动态调整机制。以面心立方金属Au为例，结合原位电镜技术和分子动力学模拟，研究人员系统揭示了大角晶界在迁移过程中通过剪切主导的形变孪晶行为调节自身结构，最终改变晶界塑性变形能力的原子尺度机制。基于实验和模拟结果，提出了一种晶界几何（倾转角和晶界面取向）主导的晶界结构动态调节模型。该模型进一步阐明了面心立方金属晶界在不同晶粒尺寸、加载模式、晶界几何等条件下普遍存在的动态结构调整行为，构建了晶界微观结构演化与晶界稳定性的动态关联，为利用晶界动力学调控提升材料性能提供了重要的理论基础。相关成果以“Twinning-assisted dynamic adjustment of grain boundary mobility ”为题发表在Nature Communications上。

论文DOI : 10.1038/s41467-021-27002-3

图文导读

图1. 形变孪晶诱导的晶界结构动态转变及可动性调整。(a)包含一条23°<110>倾转晶界（GB_1-2）的Au纳米双晶。(b-c)轴向拉伸下初始晶界迁移；同时孪晶从下表面形核并沿晶界扩展，将局部GB_1-2转变为47°的GB_T-2。(d-f)完全孪生后，新形成的GB在拉伸载荷下加速迁移。(g-j)初始和孪晶诱导转变后的晶界结构。 (k)加载过程中晶界迁移距离-时间曲线。

图2. 晶界介导的变形孪生动力学机制。(a-c)分子动力学模拟轴向拉伸下晶界不同位置发生孪晶形核、沿晶界扩展并最终相连，导致晶界结构转变。(d-f)不同晶界平台（A-C）在晶界结构动态调整中的作用机制。 孪生优先发生在A平台， 同时B,C沿晶界滑移促进孪晶的扩展。

图3. 晶界可动性自身调整机制的微观结构分析。(a)分子动力学模拟剪切载荷下孪生诱导晶界转变过程中的原子结构调整。GB_1-2处原子的局部重排促进孪晶形核，沿晶界互连最终完全转化为GB_T-2。(b) 拉伸载荷下主要表现为弹性变形。(c) 晶界迁移的理论弹性驱动力-施加正应变曲线。(d) 晶界的热迁移能比较。

图4. 基于几何形状的晶界自身调整变形的孪生趋势模型。(a-d)依赖于晶界取向差的不同变形模式。20°和36°<110>倾转GBs形变孪晶诱导的晶界结构动态调整; 50°<110>倾转晶界位错发射和滑移变形。(e)随晶界取向差变化的孪生趋势和晶界能。(f)关于晶界取向差和晶界平面倾角的孪生趋势预测。(g)87°<110>倾转晶界发生能量不利的变形孪生，形成22.5°晶界和孪晶界。

图5. 纳米晶金属中孪生诱导的晶界变形。(a-c)大角晶界中伴随晶界旋转发生孪晶形核及晶界结构转变。(d-f)小角晶界中变形孪生辅助的晶界结构变形。(g-h)分子动力学模拟中87°晶界通过晶界分解诱导的孪生转变为22.5°晶界。(i)不同晶粒尺寸及晶界几何条件下面心立方金属中普遍存在的晶界转变。

本工作得到了国家自然科学基金委的资助。博士生黄绮珊、祝祺博士、博士生陈映彬为论文共同一作，浙江大学周昊飞研究员、王江伟研究员和美国内布拉斯加大学王健教授为论文通讯作者，张泽院士、杨卫院士对本工作提出了宝贵的指导意见。

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