《Scripta》原位观察晶界介导塑性调节纳米金属材料裂纹传播过程

2021-01-13 10:40:31 作者：本网整理来源：材料学网分享至：

导读：本文通过原位高分辨率透射电子显微镜观察（即在透射电子显微镜内装有原子力显微镜的自制装置）和原子分子动力学模拟，研究了平均晶粒尺寸为约10nm的纳米金薄膜中裂纹扩展过程的原子尺度塑性变形机制。揭示了纳米金薄膜中的裂纹扩展被晶界诱导的塑性所调节，这可能导致相邻纳米金之间的晶粒聚结，同时发现晶界诱导的塑性与晶粒尺寸有关，GB位错活动在相对较大的晶粒中引起晶粒旋转，在相对较小的晶粒中引起GB迁移。

提高金属的机械性能和理解其潜在的塑性变形机制一直是材料科学家和工程师的长期目标。粗晶金属的强度主要由晶粒内位错与晶粒间界和其他势垒的相互作用控制。相比之下，这些塑性变形被显著细化的晶粒和纳米尺度（d < 100纳米）的晶界严重抑制，从而导致异常的高强度但差的延展性。值得注意的是，在晶粒尺寸低于临界值（例如，d < ~ 15-30纳米）的纳米金属的软化变形过程中，金属间化合物诱导的塑性可能取代普通位错塑性。

在过去的几十年里，一些先进的技术，如原位透射电子显微镜（TEM）观察和分子动力学（MD）模拟，已经被广泛地开发用于捕获和可视化关于金属塑性变形/开裂过程中微观结构演变的动态信息。在这方面，大多数现场观察和模拟显示，晶界介导的等离子体也控制了晶界处纳米空隙/纳米裂纹的潜在成核和生长，从而使主裂纹聚结，导致晶粒尺寸低于特定临界值的非晶金属的晶间开裂过程。目前有各种GB介导的塑性机制，如GB位错，GB迁移/滑动，GB扩散等。据报道，能够适应纳米晶金属的裂解过程，表明其具有尺寸依赖性。尽管如此，上述描述表明，对纳米晶金属裂纹扩展过程负责的GB介导的塑性机制还没有很好地理解，这意味着仍然需要更直接和详细的证据。

本文开发了一种简易的自制原位透射电镜观察装置（即透射电镜中的原子力显微镜），揭示了导致金薄膜动态开裂过程的潜在塑性变形机制。基于自制的原位原子力显微镜-透射电子显微镜实验，作者发现晶界介导的塑性与晶粒尺寸有关，即与临界晶粒尺寸~10nm相比，GB位错活动在相对较大的晶粒中引起晶粒旋转，在相对较小的晶粒中引起GB迁移。相关研究成果以题“Grain boundary-me diate d pl asticity accommodating the cracking process in nanograined gold: In situ observations and simulations”发表在Scripta Materialia上。

论文链接：

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

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

作者首先将直径为0.5毫米、长为10毫米的尖铜线放入金涂布机中作为基片，溅射金约15秒，如图1 （a）所示。图1 （b）中的透射电子显微镜图像显示，在铜线表面成功地溅射了约200纳米厚的金薄膜。揭示了纳米金薄膜中的裂纹扩展是由晶界介导的塑性来调节的，这可能导致相邻纳米颗粒之间的晶粒合并。

图1 用于观察金薄膜开裂过程的自制原位AFM-TEM装置。（一）透射电子显微镜图像显示金薄膜是由一个金涂布机溅射在尖锐的铜线顶端。（2）透射电镜图像显示溅射的金薄膜为纳米晶结构，表面预先存在纳米晶（如红色虚线所示）。当纳米金薄膜沿箭头所示方向移向原子力显微镜针尖时，这些预先存在的纳米颗粒将被传播。（3）在（2）中右侧表面较薄区域的SAED图形，表明纯天然气金结构。纳米金薄膜的晶粒尺寸统计分布，平均晶粒尺寸约为10纳米。（五）HRTEM图像和（六）对应的原子IFFT图像，取自（五）中的矩形框架，显示了纳米金的原子结构。

图片图2。裂纹过程中GB迁移诱发晶粒聚结的原位观察。（a-c）一系列HRTEM图像显示，石墨球迁移过程导致石墨球向G2内部移动，导致来自G1和G2的颗粒聚结。示意图、相应的实时快速傅立叶变换模式和分别取自矩形帧1和2的IFFT图像，提供了GB迁移的动态过程的细节。

图3 裂纹尖端金属迁移和晶粒旋转的原位观测。（a-d）一系列HRTEM图像显示裂纹在一个典型的裂纹尖端从约1 10到约135钝化。G2、G4、G5和（f-g） IFFT图像的实时快速傅立叶变换模式取自（a）中的矩形帧（f-g）。（h-i）从（d）中的帧拍摄的IFFT图像。（j-m）显示裂纹钝化过程中微观结构演变的示意图，这是由晶界迁移和晶粒旋转所适应的。

图4 纳米晶金裂解过程的分子动力学模拟。（a1-c1）天然气金在0%、8.8%和30%几个典型应变水平下的裂纹钝化过程，随着标记的垂直直线逐渐不再平直，晶粒取向发生变化。（a2-c2）由DXA可视化的相应位错行为，以及（a3-c3）由病毒性定理计算的原子尺度应力分布，表明在开裂过程中位错活动/应力主要集中在晶界。