Science晶界滑动塑性的原子机制研究获进展

　　一、研究背景
　　晶界(GBs) 是分离不同晶体取向的晶粒的界面。当两个相邻的晶粒发生平行于边界面的相对位移时，GB就会滑动。GB滑移，有时与GB迁移相结合，会强烈影响多晶材料的非弹性变形，例如高温下的扩散蠕变和环境温度下的塑性变形。GB滑移最近在纳米晶金属的塑性变形和晶粒尺寸稳定的研究中受到了相当大的关注。虽然已经使用各种原位和非原位实验技术研究了GBs介导的变形，但是GBs滑动的原子尺度过程仍然不清楚，主要是因为缺乏直接的高分辨率实验观察。在过去的几年里，原位原子分辨率实验取得了快速的进展。然而，与一般GBs变形相关的原子尺度过程还没有被清楚地解决，主要是因为在GBs变形过程中跟踪原子运动是极其困难的。
　　原子建模和模拟提供了我们目前对伴随GB变形的原子尺度事件的大部分理解。例如，分子动力学(MD)模拟已经检验了面心立方 (FCC)双晶体中特殊类型的重合位置晶格倾斜GBs的机械行为。这些模拟揭示了GB滑动和迁移之间的强耦合，通过GB和相邻晶格之间的结构单元转换，允许滑动而不改变GB结构。这一概念已被推广，以解释一般的GB双晶体学和GBs中的形变携带线缺陷的运动，即断连。断连由台阶高度和Burgers向量表征:如果台阶高度为零，则断连是纯位错，而如果其Burgers向量为零，则断连是纯台阶。分子动力学模拟还表明，在室温下,普通GBs的变形(以GBs断连运动为媒介)通常会导致GBs滑动和迁移耦合，而纯滑动仅在相对较高的温度下发生。与特殊的、高对称性的GBs不同，真实多晶体中的GBs通常是一般类型，即低对称性双晶体学、不对称GBs平面和非平面GBs。从高度理想化的原子模型和模拟中得出的上述GB滑移的原子过程是否直接适用于实验室加载条件下多晶体中的一般GB，还有待证明。
　　二、研究成果
　　晶界(GB)在多晶材料的力学行为中起着重要的作用。尽管经过几十年的研究，GB变形的原子尺度动力学过程仍然难以捉摸，特别是多晶体中的GBs，通常是非对称和一般类型的。 今日，北京工业大学韩晓东教授，浙江大学张泽院士和佐治亚理工学院朱廷教授合作报道了一项原位原子分辨率研究，以揭示滑动主导变形是如何在铂双晶体的一般倾斜GBs下完成的。作者观察到沿着GB的直接原子尺度的滑动或者通过边界平面的原子转移的滑动。后一种滑动过程是由连接断开的运动介导的，这种运动使得GB原子能够迁移，导致一种以前没有识别到的GB滑动和原子平面转移的耦合模式。这些结果使人们能够从原子尺度理解一般的GBs如何在多晶材料中滑动。相关研究工作以＂Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale＂为题发表在国际顶级期刊《Science》上。北京工业大学材料与制造学部王立华研究员与美国佐治亚理工学院张寅为共同第一作者。据报道，这是北京工业大学以第一完成单位在《Science》上发表的首篇论文，标志着学校在晶界滑动塑性的原子机制方面取得了重要研究成果。祝贺！
　　三、图文速递
　　图1. Pt双晶体中非对称倾斜GB的原子尺度滑动
　　图2. 非对称< 110 >-倾斜的原子分解滑动
　　作者报告了在像差校正透射电子显微镜(Cs-TEM)中进行纳米力学测试期间，在面心立方Pt(从多晶中提取的双晶)中，对一般高角度倾斜GBs的滑动主导变形的原位原子尺度观察。薄膜双晶体的几何形状允许大范围的GB滑动，而没有多晶中存在的三重结的限制，因此有利于在大的滑动距离上逐步监测GB滑动过程。作者展示了一个时间序列的原位Cs-TEM图像，该图像提供了一个非对称< 110 >-倾斜GB滑动约19 Å的代表性示例，相邻晶粒之间的错向角为20.1 (图1，A至H)。初始GB的一段的放大Cs-TEM图像显示左(GL)和右(GR)晶粒都与< 110 >区轴对齐，使得白点代表< 110 >原子柱的投影(图1I)。通常出现的不对称GBs(通常在真实多晶体中观察到)倾向于形成具有原子大小台阶的原子级刻面(在GB平面的一侧或两侧)。对于所研究的GB段(图1I ),边界的一侧在晶粒GR的面上呈现平坦、密集的{111}面，而另一侧在晶粒GL的面上包含原子尺度的波纹，这反映了该晶粒面是晶粒GL的高指数{331}面的事实。这种波纹可以描述为由三到四个原子宽的{111}面分隔的单原子高度台阶。
　　图3. 原子柱轨迹的自动跟踪
　　图4. GB Lomer锁的运动和形成
　　过去的研究揭示了纯粹的GB滑动以及耦合的GB滑动和迁移。这些过程保持平行于GB平面的晶格平面的数量。本文的原位原子分辨率结果不仅证实了这些已知的滑动模式，而且还表明在GB滑动过程中原子平面转移的可能性，导致平行于GB平面的晶格平面数量的变化。后一种模式可以用GB断开介导的边界变形来解释。GB断开通常与Burgers向量b和步长h相关联。在GB从0滑动到2.5s的过程中，所涉及的GB断开具有沿着GB平面的Burgers向量，没有阶跃分量，导致纯GB滑动。在耦合的GB滑动和原子平面转移期间，所涉及的GB断开具有Burgers矢量，该矢量具有相对于GB平面的非零法向分量和切向分量。这种不连续的运动产生了沿GB平面的GB滑动位移以及垂直于GB平面的相邻晶粒间的相对位移。此外，作者发现GB原子柱可以从一边转移到另一边，然后在进一步滑移时沿着边界面移动。这种类型的原子柱位移运动相当大的距离，不同于在高温下由空位介导的长程原子扩散的常规扩散蠕变。
　　四、结论与展望
　　追踪时间分辨的原子尺度GBs运动的能力为深入了解GBs滑动机制和多晶材料的力学行为提供了机会。一些观察到的一般倾斜GBs滑动的原子机制以前没有报道过。目前的结果清楚地显示了一般的GBs如何在低温下滑动，并且没有(或很少)伴随GBs迁移。概括地说，这项工作展示了利用原位原子分辨率TEM实验理解多晶材料中界面介导的变形和失效机制的巨大潜力，并为实验和原子建模之间的高分辨率联合提供了新的机会。