金屬材料變形過程中常見的晶粒長大和動態再結晶過程通常由晶界遷移主導，而晶界在遷移過程中不可避免地與晶粒內部的缺陷發生交互作用，改變晶界的可動性，進而顯著影響材料的變形行為和力學性能。儘管已有大量關於缺陷-晶界交互作用的理論預測和計算模擬（包括位錯塞積、吸收、穿過和反射），其原子尺度機制仍缺乏系統的實驗研究；另一方面，晶格缺陷-晶界交互作用對晶界遷移動力學的影響機理尚不明確。
近日，浙江大學材料科學與工程學院王江偉研究員課題組與加拿大曼尼託巴大學Chuang Deng教授、美國匹茲堡大學Scott Mao教授等人合作，結合先進的原位電鏡納米力學測試和分子動力學模擬，從原子尺度揭示了面心立方金屬中對稱大角晶界在一系列常見晶格缺陷（包括位錯、層錯和孿晶）交互作用下的剪切耦合遷移機制，並系統闡釋了滑移連續性以及晶界本徵缺陷（階錯）對交互作用的影響。相關研究成果以In situ atomistic observation of grain boundary migration subjected to defect interaction為題發表在金屬材料領域著名期刊《Acta Materialia》上。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.021
研究人員製備出一系列包含Σ11(113)大角晶界和不同晶格缺陷的Au納米雙晶結構，並開展穩定的剪切加載測試。在剪切載荷作用下，晶界發生遷移並穿越晶粒內部的位錯（圖1）。原子尺度分析表明，當晶界穿越全位錯時，位錯核心發生分解，形成二次晶界位錯和可動的殘餘晶界階錯；二次晶界位錯的應力釋放導致相鄰晶粒內部層錯的形核，而殘餘階錯可與本徵的晶界階錯發生動態湮滅或合併，保證晶界的連續遷移能力（圖2）。當晶格位錯的伯氏矢量改變時，晶界與位錯交互作用產生不可動階錯；進一步剪切加載下階錯兩側晶界的非協同遷移會加劇階錯處的應力集中，最終導致相鄰晶粒內的層錯釋放。
圖1. 遷移晶界穿越晶粒內部位錯的過程及示意圖
圖2. Σ11(113) 晶界遷移過程中吸收晶粒內部全位錯，在晶界處留下殘餘階錯並在相鄰晶粒內部釋放層錯。（a-d）平直晶界與全位錯的交互作用；（e-h）晶界階錯與全位錯的交互作用。
當遷移晶界與面缺陷（如層錯和納米孿晶）發生交互作用時，晶界和面缺陷通過交點處耦合的結構演化機制，實現協調變形。以Σ11(113) 晶界與納米孿晶的交互作用為例，晶界階錯可穿過晶界-孿晶的交匯，保證晶界的連續遷移（圖3）；而階錯穿過孿晶時可誘導孿晶-晶界相交的非共格界面的分解與遷移，促進孿晶伴隨晶界遷移而同步長大或縮小（圖4）。
圖3. Σ11(113)晶界與納米孿晶交互作用下的協調變形。多個雙原子層階錯從表面形核並穿過晶界-孿晶交匯處，保證晶界的連續遷移。
圖4. 分子動力學解析Σ11(113) 晶界與納米孿晶交互作用下的晶界遷移與孿晶生長過程。
上述發現系統闡明了晶界在缺陷交互作用下的遷移機制，對理解金屬材料的晶界塑性變形具有重要意義。該研究成果得到了國家自然科學基金委和浙江科創新材料研究院的資助。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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