《Acta Materialia》：原子尺度上揭示倾斜扭转晶界的剪切耦合迁

时间：2024/02/07　　点击量：

　　应力诱导的晶界（GB）迁移在纳米晶材料的塑性变形和微结构演化中起着关键作用。在室温下促进 GB 迁移可显著提高纳米晶材料的延展性，而在高温下抑制 GB 迁移则可在很大程度上提高纳米晶的抗蠕变性。了解 GB 迁移的机制，尤其是原子尺度上的机制，为通过 GB 工程定制纳米晶材料的机械性能提供了重要指导。以往的研究表明，应力诱导的 GB 迁移通常与剪切变形（或 GB 滑动）耦合，即剪切耦合 GB 迁移 [6,7]。剪切耦合因子（定义为β = s/m，其中 s 是 GB 滑动的幅度，m 是 GB 迁移的距离）用于表征 GB迁移。剪切耦合晶界（GB）迁移在很大程度上影响着纳米晶材料的塑性和抗蠕变性。然而，迄今为止，一般混合倾斜扭转晶界（MGB）的剪切耦合迁移的原子学机制在很大程度上仍然难以捉摸。

　　来自美国匹兹堡大学的学者利用原位高分辨率透射电子显微镜和分子动力学模拟，揭示了典型的MGB（即〈001〉{200}/〈011〉{111} GB）在金纳米有氧晶体室温剪切形变过程中的原子尺度迁移行为。本研究观察到了两种截然不同的迁移模式，它们显示出与剪切耦合因子相反的迹象，并进一步揭示出它们是由具有不同晶体学参数的 GB 断开运动所介导的，并表现出不同的晶格对应关系，即、 〈001〉{020}-to-〈011〉{200}和〈001〉{020}-to-〈011〉{111}。模拟结果表明，在不同的应力/应变状态下，可以激活两种不同的迁移模式。此外，在实验和模拟中发现，过量的 GB 滑动和 GB 平面重新定向都能适应 GB 迁移，这可能是由于在 GB 迁移过程中必须建立点对点的晶格对应关系。这些发现为断开连接介导的 MGB 迁移提供了原子尺度的实验证据，并阐述了迄今为止尚未报道的 MGB 复杂剪切响应，对优化金属纳米晶体的延展性具有重要意义。相关工作以题为“Revealing shear-coupled migration mechanism of a mixed tilt-twist grain boundary at atomic scale”的研究性文章发表在Acta Materialia。

　　图 1. 金双晶中〈001〉{200}/〈011〉{111} MGB的两种截然不同的剪切耦合迁移行为。(a) 制成的金双晶在颈部区域含有{200}/{111} MGB。 (b-d) 在施加剪切形变时（白色箭头所示），部分 GB 沿着晶粒 1（记为 G1）的[100]方向向上移动，将 G1 的(200)1 平面转化为晶粒 2（记为G2）的{111}2 平面。(e-f）在 相同 的剪切加载下，观察到另一种 GB 迁移行为，也涉及 (200) 平面向{111}平面的转化。这种 GB 迁移伴随着新晶粒 G3 的形成，G3 与 G2 呈孪生关系。

　　图 2. 连续的 HRTEM 快照显示了两种 GB 迁移行为的原子过程。(a-f）第一类 GB 迁移是通过 GB 阶跃/断开的连续运动进行的。(a)和(b)中的插图显示了GB 迁移过程中的晶格变形，表明在此过程中从 (020)1 平面转变为 (200)2 平面。(g-l）伴随着新晶粒（记为 G3）形成和生长的第 2 类 GB 迁移。G3 的生长是通过 GB 在 G1 和 G3 之间的迁移实现的（用蓝色和黄色虚线表示）。

　　图 3. 对〈001〉{200}/ 〈011〉{111}MGB的可容许GB断开的理论分析。 (a) 介导两种GB迁移的GB断开的比较。(a1)是从图 3b 裁剪而来，而(a2)则取自图 3j，并重新调整了方向以进行比较。(b) 示意图显示了通过粘合两个不相容的表面台阶而形成的 GB 断开。感应矢量 ξ 的方向不在纸面上。(c) 示意图显示了在 GB 平面上构建应变相干参考态的过程。深蓝色、浅蓝色和深色未填充符号分别表示晶体 μ 的非应变（200）面、晶体 λ 的非应变（111）面和相干参考态。 (d) 用于断开分析〈001〉{200}/〈011〉{111} GB 的相干二色图案。(d) 中的深蓝色和浅蓝色符号分别表示应变晶体 μ 和晶体 λ。

　　图 4. GB 迁移过程中晶格转换关系的拓扑分析。(a) 〈001〉取向的 G1 和〈011〉取向的 G2 的原子模型，其中 G1 的（100）平面与 G2 的（111）平面平行。G1 中的原子显示为紫色，G2 中的原子显示为蓝色。 (b) 示意图显示完成 (200)1 到 (111)2 转变所需的原子局部调整。(c) 示意图显示了两种不同的晶格转换关系：(020)1 到 (200)2 和 (020)1 到 (111)2。紫色破折号圆圈表示在 (200)1到 (111)2 的转变过程中，(020)1平面的原子排列经过洗牌后的情况。(b)和(c)中的紫色箭头表示原子在转化过程中的移动。(c)中的橙色破折号箭头和绿色箭头分别表示断开的螺线分量和伴随转变而发生的原子旋转所产生的剪切位移。

　　图 5. (020)1-(111)2型晶格转变后GB迁移的MD结果。(a，b）金双晶在剪切变形前后的情况。剪切位移沿[010]1 方向施加在顶端。(c-f，g-j）显示沿 [010]1 方向不同深度的 GB 结构的连续快照。(020)1 原子平面上的部分原子列被染成橙色，以显示晶格的转变。孪晶后形成的新晶粒分别表示为 G3 和 G4。紫色箭头表示 GB 断开的运动方向。(k-n）薄原子层（c 和 g 中用红色箭头表示）的俯视图，显示了 c-f 和 g-h 中 GB 迁移过程中原子面的转变。曲线代表不同晶粒之间的断开线。绿色原子代表面心立方体原子，白色原子代表边界原子。

　　图 6. (200)2-(020)1晶格转变后 GB 迁移的 MD结果。(a，b）金双晶在剪切变形前后的情况。剪切位移沿双晶的 x 轴（即 [011]1 方向）施加于顶端。(c-f）显示 GB 迁移过程中(200)2 到 (020)1 晶格平面转变的序列快照。g 中的虚线 原子面上的原子被选择性地染成深绿色，以追踪晶格的转变。紫色箭头表示 GB 断开的运动方向。(g-j）垂直于Z 轴的薄片俯视图，显示了 c-f 中 GB 迁移过程中 (111)2 原子面到 (200)1 原子面的转变。薄片的位置由 c 中的红色箭头指示。

　　图 7. 剪切变形下同时发生的 GB 迁移和 GB 滑动的几何分析。(a，b）双晶的示意图，双晶的原子面为〈001〉{200}/〈011〉{111} GB（a），双晶的原子面以一定的倾角α重新定向（b）。与 GB 相匹配的原子平面的长度随 GB 的重新定向而变化。 (b) 与重新定向的 GB 平面相匹配的 (200)1 和 (111)2 平面的长度比图。(d-i)序列 HRTEM 图像显示，在 GB 平面重新定向到 α = 23◦ 之后，金双晶的剪切变形主要由 GB 迁移引起。(j-m)MD模拟结果显示，〈001〉{200}/〈011〉{111} GB面的坐标迁移适应了α = 19◦的GB迁移。

　　通过原位HRTEM剪切测试和MD模拟，本研究探索了金纳米晶中典型的MGB（即〈001〉1{200}1/〈011〉2{111}2 GB）的剪切耦合迁移行为及其原子机制。主要结论总结如下：1) 在〈001〉1{200}1/〈011〉2 {111}2 MGB 的室温剪切形变下，观察到两种截然不同的剪切耦合 GB 迁移行为，其剪切耦合因子的符号相反。这两种迁移模式都可以由 MGB 平面上的单原子层 GB 断开运动介导，但这些断开具有不同的伯格斯向量。2) 基于对这些 GB 断开的晶体学参数的拓扑分析，可以得出两种完全不同的晶格对应关系，即、 〈001〉{020}-to-〈011〉{200}型和〈001〉{020}-to-〈011〉{111}型。除了原子的剪切位移之外，两种情况下都需要复杂的原子翻转来完成晶格转换。3）无论 MGB 遵循哪种晶格对应关系，均可观察到 GB 平面重新定向和过量 GB 滑动，以适应 MGB 的剪切耦合迁移。根据 GB 迁移过程中的点对点晶格对应原理，本研究提出了一个简化的几何模型，以解释这些额外机制对最终实现 MGB 保守迁移的必要性。4) 本研究不仅为断开连接介导的 MGB 迁移提供了直接的实验证据，并从原子学角度理解了 MGB 迁移过程中的晶格转变，而且还表明 MGB 的剪切响应比对称倾斜 GB 的剪切响应要复杂得多，多种变形机制（如不同的剪切耦合迁移模式、GB 平面重新定向和多余 GB 滑动）可能被协同激活。鉴于面心立方多晶体中普遍存在由至少一个低指数平面组成的MGB，所观察到的现象和揭示的机制应该对各种 GB 具有普遍意义，并可为通过 GB 工程定制纳米晶材料的机械性能提供指导。(文：SSC)