晶界|浙大《Acta Mater》：原子尺度揭示缺陷交互作用下的晶界迁移机制
金属材料变形过程中常见的晶粒长大和动态再结晶过程通常由晶界迁移主导 ， 而晶界在迁移过程中不可避免地与晶粒内部的缺陷发生交互作用 ， 改变晶界的可动性 ， 进而显著影响材料的变形行为和力学性能 。 尽管已有大量关于缺陷-晶界交互作用的理论预测和计算模拟（包括位错塞积、吸收、穿过和反射） ， 其原子尺度机制仍缺乏系统的实验研究；另一方面 ， 晶格缺陷-晶界交互作用对晶界迁移动力学的影响机理尚不明确 。
近日 ， 浙江大学材料科学与工程学院王江伟研究员课题组与加拿大曼尼托巴大学Chuang Deng教授、美国匹兹堡大学Scott Mao教授等人合作 ， 结合先进的原位电镜纳米力学测试和分子动力学模拟 ， 从原子尺度揭示了面心立方金属中对称大角晶界在一系列常见晶格缺陷（包括位错、层错和孪晶）交互作用下的剪切耦合迁移机制 ， 并系统阐释了滑移连续性以及晶界本征缺陷（阶错）对交互作用的影响 。 相关研究成果以In situ atomistic observation of grain boundary migration subjected to defect interaction为题发表在金属材料领域著名期刊《Acta Materialia》上 。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.021
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研究人员制备出一系列包含Σ11(113)大角晶界和不同晶格缺陷的Au纳米双晶结构 ， 并开展稳定的剪切加载测试 。 在剪切载荷作用下 ， 晶界发生迁移并穿越晶粒内部的位错（图1） 。 原子尺度分析表明 ， 当晶界穿越全位错时 ， 位错核心发生分解 ， 形成二次晶界位错和可动的残余晶界阶错；二次晶界位错的应力释放导致相邻晶粒内部层错的形核 ， 而残余阶错可与本征的晶界阶错发生动态湮灭或合并 ， 保证晶界的连续迁移能力（图2） 。 当晶格位错的伯氏矢量改变时 ， 晶界与位错交互作用产生不可动阶错；进一步剪切加载下阶错两侧晶界的非协同迁移会加剧阶错处的应力集中 ， 最终导致相邻晶粒内的层错释放 。
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图1. 迁移晶界穿越晶粒内部位错的过程及示意图
图2. Σ11(113) 晶界迁移过程中吸收晶粒内部全位错 ， 在晶界处留下残余阶错并在相邻晶粒内部释放层错 。 （a-d）平直晶界与全位错的交互作用；（e-h）晶界阶错与全位错的交互作用 。
当迁移晶界与面缺陷（如层错和纳米孪晶）发生交互作用时 ， 晶界和面缺陷通过交点处耦合的结构演化机制 ， 实现协调变形 。 以Σ11(113) 晶界与纳米孪晶的交互作用为例 ， 晶界阶错可穿过晶界-孪晶的交汇 ， 保证晶界的连续迁移（图3）；而阶错穿过孪晶时可诱导孪晶-晶界相交的非共格界面的分解与迁移 ， 促进孪晶伴随晶界迁移而同步长大或缩小（图4） 。
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图3. Σ11(113)晶界与纳米孪晶交互作用下的协调变形 。 多个双原子层阶错从表面形核并穿过晶界-孪晶交汇处 ， 保证晶界的连续迁移 。
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图4. 分子动力学解析Σ11(113) 晶界与纳米孪晶交互作用下的晶界迁移与孪晶生长过程 。
上述发现系统阐明了晶界在缺陷交互作用下的迁移机制 ， 对理解金属材料的晶界塑性变形具有重要意义 。 该研究成果得到了国家自然科学基金委和浙江科创新材料研究院的资助 。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持 。
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