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《Scripta》原位觀察晶界介導塑性調節納米金屬材料裂紋傳播過程

2021-01-13 10:40:31 作者：本網整理來源：材料學網分享至：

導讀：本文通過原位高分辨率透射電子顯微鏡觀察（即在透射電子顯微鏡內裝有原子力顯微鏡的自制裝置）和原子分子動力學模擬，研究了平均晶粒尺寸為約10nm的納米金薄膜中裂紋擴展過程的原子尺度塑性變形機制。揭示了納米金薄膜中的裂紋擴展被晶界誘導的塑性所調節，這可能導致相鄰納米金之間的晶粒聚結，同時發現晶界誘導的塑性與晶粒尺寸有關，GB位錯活動在相對較大的晶粒中引起晶粒旋轉，在相對較小的晶粒中引起GB遷移。

提高金屬的機械性能和理解其潛在的塑性變形機制一直是材料科學家和工程師的長期目標。粗晶金屬的強度主要由晶粒內位錯與晶粒間界和其他勢壘的相互作用控制。相比之下，這些塑性變形被顯著細化的晶粒和納米尺度（d < 100納米）的晶界嚴重抑制，從而導致異常的高強度但差的延展性。值得注意的是，在晶粒尺寸低于臨界值（例如，d < ~ 15-30納米）的納米金屬的軟化變形過程中，金屬間化合物誘導的塑性可能取代普通位錯塑性。

在過去的幾十年里，一些先進的技術，如原位透射電子顯微鏡（TEM）觀察和分子動力學（MD）模擬，已經被廣泛地開發用于捕獲和可視化關于金屬塑性變形/開裂過程中微觀結構演變的動態信息。在這方面，大多數現場觀察和模擬顯示，晶界介導的等離子體也控制了晶界處納米空隙/納米裂紋的潛在成核和生長，從而使主裂紋聚結，導致晶粒尺寸低于特定臨界值的非晶金屬的晶間開裂過程。目前有各種GB介導的塑性機制，如GB位錯，GB遷移/滑動，GB擴散等。據報道，能夠適應納米晶金屬的裂解過程，表明其具有尺寸依賴性。盡管如此，上述描述表明，對納米晶金屬裂紋擴展過程負責的GB介導的塑性機制還沒有很好地理解，這意味著仍然需要更直接和詳細的證據。

本文開發了一種簡易的自制原位透射電鏡觀察裝置（即透射電鏡中的原子力顯微鏡），揭示了導致金薄膜動態開裂過程的潛在塑性變形機制。基于自制的原位原子力顯微鏡-透射電子顯微鏡實驗，作者發現晶界介導的塑性與晶粒尺寸有關，即與臨界晶粒尺寸~10nm相比，GB位錯活動在相對較大的晶粒中引起晶粒旋轉，在相對較小的晶粒中引起GB遷移。相關研究成果以題“Grain boundary-me diate d pl asticity accommodating the cracking process in nanograined gold: In situ observations and simulations”發表在Scripta Materialia上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113693

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作者首先將直徑為0.5毫米、長為10毫米的尖銅線放入金涂布機中作為基片，濺射金約15秒，如圖1 （a）所示。圖1 （b）中的透射電子顯微鏡圖像顯示，在銅線表面成功地濺射了約200納米厚的金薄膜。揭示了納米金薄膜中的裂紋擴展是由晶界介導的塑性來調節的，這可能導致相鄰納米顆粒之間的晶粒合并。

圖1 用于觀察金薄膜開裂過程的自制原位AFM-TEM裝置。（一）透射電子顯微鏡圖像顯示金薄膜是由一個金涂布機濺射在尖銳的銅線頂端。（2）透射電鏡圖像顯示濺射的金薄膜為納米晶結構，表面預先存在納米晶（如紅色虛線所示）。當納米金薄膜沿箭頭所示方向移向原子力顯微鏡針尖時，這些預先存在的納米顆粒將被傳播。（3）在（2）中右側表面較薄區域的SAED圖形，表明純天然氣金結構。納米金薄膜的晶粒尺寸統計分布，平均晶粒尺寸約為10納米。（五）HRTEM圖像和（六）對應的原子IFFT圖像，取自（五）中的矩形框架，顯示了納米金的原子結構。

圖片圖2。裂紋過程中GB遷移誘發晶粒聚結的原位觀察。（a-c）一系列HRTEM圖像顯示，石墨球遷移過程導致石墨球向G2內部移動，導致來自G1和G2的顆粒聚結。示意圖、相應的實時快速傅立葉變換模式和分別取自矩形幀1和2的IFFT圖像，提供了GB遷移的動態過程的細節。

圖3 裂紋尖端金屬遷移和晶粒旋轉的原位觀測。（a-d）一系列HRTEM圖像顯示裂紋在一個典型的裂紋尖端從約1 10到約135鈍化。G2、G4、G5和（f-g） IFFT圖像的實時快速傅立葉變換模式取自（a）中的矩形幀（f-g）。（h-i）從（d）中的幀拍攝的IFFT圖像。（j-m）顯示裂紋鈍化過程中微觀結構演變的示意圖，這是由晶界遷移和晶粒旋轉所適應的。

圖4 納米晶金裂解過程的分子動力學模擬。（a1-c1）天然氣金在0%、8.8%和30%幾個典型應變水平下的裂紋鈍化過程，隨著標記的垂直直線逐漸不再平直，晶粒取向發生變化。（a2-c2）由DXA可視化的相應位錯行為，以及（a3-c3）由病毒性定理計算的原子尺度應力分布，表明在開裂過程中位錯活動/應力主要集中在晶界。