揭示孿晶輔助納米晶粒生長機制

2020-11-25 科學網

 

近日，中科院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室研究員張廣平帶領團隊，通過對納米尺度金屬薄膜疲勞加載下晶粒長大行為的原子尺度研究，揭示了「孿生輔助納米晶粒長大」的全新物理機制，相關論文在線發表於《自然—通訊》上。

 

儘管金屬中的晶界具有阻礙位錯運動、強化材料的重要作用，但當材料的晶粒尺寸減小到納米尺度時，晶界變得不穩定。那麼，納米尺度下晶粒長大/晶界遷移是否與該尺度下的孿晶形成有關，孿晶形成在晶粒長大過程中扮演怎樣的角色，這些重要的科學問題尚未澄清。

 

張廣平等人發現，室溫下的疲勞加載導致平均晶粒尺寸為19納米到20納米厚金薄膜中晶粒明顯長大，且發生孿生的晶粒數目顯著增加，大多數長大的晶粒中出現了納米尺度多重孿晶。理論分析表明，疲勞加載下的孿晶形成可以逐漸改變納米晶粒的局部取向，促使晶界分解為若干易遷移片段；隨著疲勞周次的累積，兩晶粒可通過相互納米孿晶的形成以及晶界的不斷分解，逐漸合併長大為一個晶粒。

 

該發現不僅清楚地揭示了孿晶形成是輔助疲勞加載下納米晶粒長大的一個有效方式，且闡明了該機制下納米晶粒的有限長大能夠消耗循環塑性、減緩因晶粒長大引起的應變局部化疲勞損傷形成，從而起到顯著提高超高強度金屬薄膜疲勞抗力的作用。這對於納米尺度金屬薄膜及納米結構金屬材料的晶界設計和界面穩定性的利用與調控，高強與高疲勞可靠性結構金屬材料的發展具有重要意義。（來源：中國科學報 周峰）

 

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