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突破！北京工業大學韓曉東教授/浙江大學張澤院士等合作發《Science》

2022-03-18 11:53:50 作者：高分子科學前沿來源：高分子科學前沿分享至：

金屬材料在人類社會發展史中有著不可替代的作用和地位。近年來，高新技術領域的發展對新一代高性能金屬材料提出了迫切需求，而如何去高效率地設計功能性金屬材料目前仍然有待攻克。其中，關鍵理論之晶界（GB）結構理論有著悠久的歷史，基本的假設是不同的晶界取向存在多個穩態和亞穩態。

那么什么是晶界呢？晶界（GB）是分離不同晶體取向的晶粒的界面。當兩個相鄰晶粒發生平行于邊界平面的相對位移時，GB滑動。GB滑動有時與GB遷移相結合，會強烈影響多晶材料的非彈性變形，例如高溫下的擴散蠕變和環境溫度下的塑性變形。GB滑動最近在納米晶金屬的塑性變形和晶粒尺寸穩定性研究中受到了相當大的關注。雖然大量研究人員已經使用各種原位和非原位實驗技術研究了GB介導的變形，但GB滑動的原子尺度過程仍不清楚，主要是因為缺乏直接的高分辨率實驗觀察。在過去的幾年中，原位原子分辨率實驗取得了快速進展，但是與一般GBs變形相關的原子尺度過程尚未得到明確解決，主要是因為在GB變形過程中跟蹤原子運動非常困難。

鑒于此，北京工業大學韓曉東教授、佐治亞理工學院朱廷教授和浙江大學張澤院士合作使用像差校正的原位電子顯微鏡觀察在應變過程中的鉑晶界，以揭示在鉑雙晶中的一般傾斜GB中如何實現滑動主導變形。他們觀察到沿GB的直接原子尺度滑動或在邊界平面上的原子轉移滑動。后一種滑動過程是由使GB原子能夠傳輸的斷開運動介導的，導致以前無法識別的耦合GB滑動和原子平面轉移的模式。這些結果使人們能夠在原子尺度上理解一般GBs如何在多晶材料中滑動。相關研究成果以題為“Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale”發表在最新一期《Science》上。

【原位原子尺度觀察】

作者報道了在像差校正透射電子顯微鏡（Cs-TEM）中進行納米力學測試期間，FCC Pt（從多晶中提取的雙晶）中一般高角度傾斜GB的滑動主導變形的原位原子尺度觀察。原位 Cs-TEM 圖像，該圖像提供了一個具有代表性的例子，即非對稱<110>-傾斜GB滑動約19Å，相鄰晶粒之間的取向角為20.1°（圖1，A到H）。初始GB片段的放大Cs-TEM圖像顯示左（GL）和右（GR）晶粒都與<110>區軸對齊（圖1I）。常見的不對稱GB（通常在真實多晶中觀察到）傾向于形成具有原子級臺階的原子級刻面（在GB平面的一側或兩側）。對于所研究的GB段（圖1I），邊界的一側在晶粒GR的表面上表現出平坦、緊密堆積的{111}晶面，而另一側在晶粒GL的表面上具有原子級波紋，這反映了該晶粒面是晶粒GL的高指數{331}平面。作者根據位于GB的兩組 1/2<110>{111} 晶格位錯來表征 GB 的結構（圖1I），這些位錯經常結合形成GB Lomer鎖，每個鎖都具有五元單元的特征核心結構（用五邊形標記）。在 GB 滑動過程中，每個 Lomer 鎖調整其位置和結構，經常暫時解離成兩個單獨的 1/2<110>{111} 位錯，隨后重新組合成一個 Lomer 鎖。

圖 1. Pt 雙晶中不對稱傾斜 GB 的原子尺度滑動

【原子尺度 GB 滑動的機理】

作者展示了限定GB區域（圖1A）的高放大倍率Cs-TEM圖像（圖2）。在0、2.5、6.0和9.0 s處放大的Cs-TEM圖像（對應于圖 1A 中的綠色框區域），顯示沿邊界平面的直接滑動以及跨邊界平面的原子柱轉移滑動，導致GB滑動和原子平面轉移耦合。在（A）中的0 s處，晶粒GL表面的原子列用綠色小寫字母標記，晶粒GR表面的原子列用紅色大寫字母標記。晶粒GL面上的兩個{331}層用紅色虛線表示，它們與GR面上的密堆積{111}層接觸。在（D）中的9 s時，兩個{331}層從GL面上移除；組成原子柱被轉移到GR面上的第一層{111}層中，使它們與其中的原子柱混合。

圖 2. 非對稱 <110> 傾斜GB的原子分辨滑動

【自動原子柱跟蹤法】

為了更詳細清楚地解釋GB滑動，作者開發了自動原子柱跟蹤法，這種方法可以自動標記原子列，從而在GB滑動期間在圖像之間關聯它們（圖3）。在5秒時（圖3A），原子柱h位于GBLomer鎖的五邊形核心單元。在5.5秒時（圖3B），在轉移過程中h處出現白色條紋。在6.0秒時（圖3C），h被轉移到空位；與此同時，一個新的原子柱h'出現在先前被轉移的h占據的位置。原子柱軌跡的自動跟蹤進一步證實了h'的形成，如原子柱位移圖所示（圖3D）。在5秒時獲得了原子體積應變圖（圖3E）。GB Lomer鎖的五邊形核心單元表現出較大的局部體積膨脹，表明在該核心單元處滑動引起的局部膨脹增加有助于h的傳遞。這一結果意味著新原子柱的出現或先前存在的原子柱的消失可以有效地適應與階梯狀晶粒面相關的局部變形不相容性，從而防止在GB處形成能量昂貴的空洞形成或原子柱堵塞。因此，GB Lomer 鎖的五邊形核心單元在GB區域中原子柱的轉移以及相關的原子柱的形成和去除中起著重要作用。

圖 3. 原子柱軌跡的自動跟蹤

為了了解 GL 面上兩個 {331} 層的轉移是如何通過 GB 滑動過程中組成原子柱的轉移發生的，作者借助 GB Lomer 鎖和隨后沿 GB 的原子列傳輸確定了一系列跨邊界平面的原子列傳輸單元過程（圖4），強調了大局部體積應變對驅動 GB 處原子柱的形成、去除和轉移的重要影響。同時GB滑動和原子平面轉移的耦合過程是通過環境溫度下的一系列位移原子事件發生的，并且是由GB上施加的高應力驅動的。本文觀察到的原子級 GB 變形過程應該適用于塊狀納米晶和超細晶 FCC 金屬。

圖 4. GB Lomer 鎖的運動和形成

【總結】

本文的結果清楚地顯示了一般GB在低溫下是如何滑動的，并且沒有（或很少）伴隨GB遷移。這項工作展示了利用原位原子分辨率TEM實驗來理解多晶材料中界面介導的變形和失效機制的巨大潛力，并為實驗和原子建模之間的高分辨率握手提供了新的機會。

【作者簡介】

韓曉東，教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。現任中國電子顯微鏡學會理事長，北京工業大學科學技術發展院常務副院長。發表論文160余篇，包括：Science 2篇，Nature Mater 3篇， Nature Commun 9篇，Nano Lett 12篇，Phys Rev Lett 4篇，Acta Mater 12篇等；承擔國家自然科學基金重點項目、科學儀器基礎研究專項、國家重大科研儀器設備研制專項課題、航空發動機重大研究計劃重點項目等。

朱廷，美國佐治亞理工學院George W. Woodruff機械工程學院教授，已獲得美國機械工程師學會（American Society of Mechanical Engineers）SiaNemat-Nasser早期學術生涯獎（SiaNemat-Nasser Early Career Award）、美國工程科學學會（Society of Engineering Science）青年研究者獎（Young Investigator Medal）以及浙江大學“包玉剛講座教授”等榮譽。

張澤，材料科學晶體結構專家，中國科學院院士。曾任中國科學院北京電鏡實驗室主任、中國科協黨組成員、書記處書記、亞洲晶體學會主席、中國電子顯微鏡學會理事長、北京工業大學副校長（正校級）。現為浙江大學材料科學與工程學院教授、浙江大學學術委員會主任。2001年當選為中國科學院院士，全國政協第九屆、第十屆、第十一屆委員。現任中國分析測試協會理事長、亞太地區顯微鏡學會理事長和中國創新方法研究會副理事長。

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