突破！北京工业大学韩晓东教授/浙江大学张泽院士等合作发《Science》

2022-03-18 11:53:50 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

金属材料在人类社会发展史中有着不可替代的作用和地位。近年来，高新技术领域的发展对新一代高性能金属材料提出了迫切需求，而如何去高效率地设计功能性金属材料目前仍然有待攻克。其中，关键理论之晶界（GB）结构理论有着悠久的历史，基本的假设是不同的晶界取向存在多个稳态和亚稳态。

那么什么是晶界呢？晶界（GB）是分离不同晶体取向的晶粒的界面。当两个相邻晶粒发生平行于边界平面的相对位移时，GB滑动。GB滑动有时与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滑动最近在纳米晶金属的塑性变形和晶粒尺寸稳定性研究中受到了相当大的关注。虽然大量研究人员已经使用各种原位和非原位实验技术研究了GB介导的变形，但GB滑动的原子尺度过程仍不清楚，主要是因为缺乏直接的高分辨率实验观察。在过去的几年中，原位原子分辨率实验取得了快速进展，但是与一般GBs变形相关的原子尺度过程尚未得到明确解决，主要是因为在GB变形过程中跟踪原子运动非常困难。

鉴于此，北京工业大学韩晓东教授、佐治亚理工学院朱廷教授和浙江大学张泽院士合作使用像差校正的原位电子显微镜观察在应变过程中的铂晶界，以揭示在铂双晶中的一般倾斜GB中如何实现滑动主导变形。他们观察到沿GB的直接原子尺度滑动或在边界平面上的原子转移滑动。后一种滑动过程是由使GB原子能够传输的断开运动介导的，导致以前无法识别的耦合GB滑动和原子平面转移的模式。这些结果使人们能够在原子尺度上理解一般GBs如何在多晶材料中滑动。相关研究成果以题为“Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale”发表在最新一期《Science》上。

【原位原子尺度观察】

作者报道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，FCC Pt（从多晶中提取的双晶）中一般高角度倾斜GB的滑动主导变形的原位原子尺度观察。原位 Cs-TEM 图像，该图像提供了一个具有代表性的例子，即非对称<110>-倾斜GB滑动约19Å，相邻晶粒之间的取向角为20.1°（图1，A到H）。初始GB片段的放大Cs-TEM图像显示左（GL）和右（GR）晶粒都与<110>区轴对齐（图1I）。常见的不对称GB（通常在真实多晶中观察到）倾向于形成具有原子级台阶的原子级刻面（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的表面上表现出平坦、紧密堆积的{111}晶面，而另一侧在晶粒GL的表面上具有原子级波纹，这反映了该晶粒面是晶粒GL的高指数{331}平面。作者根据位于GB的两组 1/2<110>{111} 晶格位错来表征 GB 的结构（图1I），这些位错经常结合形成GB Lomer锁，每个锁都具有五元单元的特征核心结构（用五边形标记）。在 GB 滑动过程中，每个 Lomer 锁调整其位置和结构，经常暂时解离成两个单独的 1/2<110>{111} 位错，随后重新组合成一个 Lomer 锁。

图 1. Pt 双晶中不对称倾斜 GB 的原子尺度滑动

【原子尺度 GB 滑动的机理】

作者展示了限定GB区域（图1A）的高放大倍率Cs-TEM图像（图2）。在0、2.5、6.0和9.0 s处放大的Cs-TEM图像（对应于图 1A 中的绿色框区域），显示沿边界平面的直接滑动以及跨边界平面的原子柱转移滑动，导致GB滑动和原子平面转移耦合。在（A）中的0 s处，晶粒GL表面的原子列用绿色小写字母标记，晶粒GR表面的原子列用红色大写字母标记。晶粒GL面上的两个{331}层用红色虚线表示，它们与GR面上的密堆积{111}层接触。在（D）中的9 s时，两个{331}层从GL面上移除；组成原子柱被转移到GR面上的第一层{111}层中，使它们与其中的原子柱混合。

图 2. 非对称 <110> 倾斜GB的原子分辨滑动

【自动原子柱跟踪法】

为了更详细清楚地解释GB滑动，作者开发了自动原子柱跟踪法，这种方法可以自动标记原子列，从而在GB滑动期间在图像之间关联它们（图3）。在5秒时（图3A），原子柱h位于GBLomer锁的五边形核心单元。在5.5秒时（图3B），在转移过程中h处出现白色条纹。在6.0秒时（图3C），h被转移到空位；与此同时，一个新的原子柱h'出现在先前被转移的h占据的位置。原子柱轨迹的自动跟踪进一步证实了h'的形成，如原子柱位移图所示（图3D）。在5秒时获得了原子体积应变图（图3E）。GB Lomer锁的五边形核心单元表现出较大的局部体积膨胀，表明在该核心单元处滑动引起的局部膨胀增加有助于h的传递。这一结果意味着新原子柱的出现或先前存在的原子柱的消失可以有效地适应与阶梯状晶粒面相关的局部变形不相容性，从而防止在GB处形成能量昂贵的空洞形成或原子柱堵塞。因此，GB Lomer 锁的五边形核心单元在GB区域中原子柱的转移以及相关的原子柱的形成和去除中起着重要作用。

图 3. 原子柱轨迹的自动跟踪

为了了解 GL 面上两个 {331} 层的转移是如何通过 GB 滑动过程中组成原子柱的转移发生的，作者借助 GB Lomer 锁和随后沿 GB 的原子列传输确定了一系列跨边界平面的原子列传输单元过程（图4），强调了大局部体积应变对驱动 GB 处原子柱的形成、去除和转移的重要影响。同时GB滑动和原子平面转移的耦合过程是通过环境温度下的一系列位移原子事件发生的，并且是由GB上施加的高应力驱动的。本文观察到的原子级 GB 变形过程应该适用于块状纳米晶和超细晶 FCC 金属。

图 4. GB Lomer 锁的运动和形成

【总结】

本文的结果清楚地显示了一般GB在低温下是如何滑动的，并且没有（或很少）伴随GB迁移。这项工作展示了利用原位原子分辨率TEM实验来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握手提供了新的机会。

【作者简介】

韩晓东，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。现任中国电子显微镜学会理事长，北京工业大学科学技术发展院常务副院长。发表论文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；承担国家自然科学基金重点项目、科学仪器基础研究专项、国家重大科研仪器设备研制专项课题、航空发动机重大研究计划重点项目等。

朱廷，美国佐治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院教授，已获得美国机械工程师学会（American Society of Mechanical Engineers）SiaNemat-Nasser早期学术生涯奖（SiaNemat-Nasser Early Career Award）、美国工程科学学会（Society of Engineering Science）青年研究者奖（Young Investigator Medal）以及浙江大学“包玉刚讲座教授”等荣誉。

张泽，材料科学晶体结构专家，中国科学院院士。曾任中国科学院北京电镜实验室主任、中国科协党组成员、书记处书记、亚洲晶体学会主席、中国电子显微镜学会理事长、北京工业大学副校长（正校级）。现为浙江大学材料科学与工程学院教授、浙江大学学术委员会主任。2001年当选为中国科学院院士，全国政协第九届、第十届、第十一届委员。现任中国分析测试协会理事长、亚太地区显微镜学会理事长和中国创新方法研究会副理事长。

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