上海交大Nat. Commun.：原位观察位错攀移和晶界的运动

1. 导读

纳米材料具有优异的力学性能，其内部包含的纳米级缺陷尺寸影响位错的形核，运动以及反应。但是目前原子级位错运动机制尚不清楚，尤其是位错的攀移。虽然理论计算和原子模拟给出了一些研究结果，然而，位错攀移的原位原子尺度实验观测还没有实现。因此，位错心在攀移过程中的动态演化规律尚不清楚，纳米尺度对位错攀移的影响也不甚清楚。本工作报告了在具有面心立方(FCC)结构的去合金化纳米多孔Au韧带中倾斜晶界(GB)位错的原子尺度原位观察。

2. 成果掠影

最近，来自上海交通大学的刘攀特别研究员、佐治亚理工学院朱廷教授和约翰斯-霍普金斯大学陈明伟教授相互合作，报告了室温原位应变过程中纳米金晶界(GB)位错攀移的原子尺度观察结果。研究表明：位错攀移由外加弯曲应力诱导重建位错中心额外半原子面边缘的两个相邻原子柱驱动。这与传统认为的位错攀移是通过在位错核心处破坏或构建单个原子柱的观点不同。蒙特卡洛模拟证明了位错攀登的原子路径在能量上是有利的，且适用于一般对称晶界。本文的原位观察还揭示了室温下位错攀移的晶界演化过程，这为控制纳米结构金属的微观结构和性能提供了一种手段。相关成果以“In situ atomic-scale observation of dislocation climb and grain boundary evolution in nanostructured metal”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

3. 核心创新点

(1) 通过原位实验发明了位错攀移是由外加弯曲应力诱导重建位错中心额外半原子面边缘的两个相邻原子柱驱动的新机制;

(2) 通过模拟加实验成功证明了位错攀移的晶界演变过程；

4. 图文导读

图1原位HRTEM图像显示HAGB上的室温位错攀移和从HRTEM图像重建的原子模型。a-g. 位错用符号和数字表示。图中插入的Burgers回路表示位错的相同刃型分量. 新形成的孪晶片用g中的红色虚线表示。比例尺:a为2nm, b为1nm；h. HRTEM图像重构的原子模型；Σ3 TB由深灰色平面标记，位错核心由红色原子柱突出；黄色的曲线平面表示弯曲的中性平面。i. 重建了b-g中HRTEM图像对应的原子构型. © 2022 Nature communications

图2 HRTEM图像测得2爬升速度4位错的位移. a-e HRTEM图像显示了位错核的快速移动(用虚线圈出)。比例尺:1nm；f在整个现场应变过程中，位错4的攀移速度和位移随时间的函数. © 2022 Nature communications

图3 正攀移过程中位错心的重构。a-f. 一系列HRTEM图像显示了位错心的重构。比例尺:0.5 nm. g. a-f图中沿虚线矩形提取的对应对比度强度轮廓；h-I, GCMC结果揭示了位错核在正向爬升过程中的原子结构演化; 图片的上行显示了两个相邻原子列(红色)合并过程的俯视图(xy平面)，在两个GB位错的每个核心(用符号标记)。下面一行是沿着h中的黑色虚线切割原子结构产生的相应侧视图(xz-plane); 另外两个相邻的原子柱(青色)作为参考，不直接参与攀移位错心的重构过程。© 2022 Nature communications

图4 负向攀移过程中位错心的重构；a-d一系列显示重建过程的HRTEM图像。比例尺:0.5 nm. e. a-d图中沿点矩形提取的对应对比度强度轮廓. © 2022 Nature communications

5. 成果启迪

材料的力学性能很大程度上受位错攀移和位错运动的影响，本文该研究为纳米结构金属材料的室温蠕变、晶粒粗化和室温超塑性等提供了新的见解。

论文链接：https://wwwnature.53yu.com/articles/s41467-022-31800-8