導讀：與晶粒長大和再結晶有關的晶界（GB）遷移經常遇到晶格缺陷，而在這些動態過程中GB缺陷相互作用的原子機理仍不清楚。本文通過原位納米力學測試系統研究了遷移的Σ11（113）對稱傾斜GB與不同晶格缺陷（包括完全錯位，堆垛層錯和Au中的納米孿晶）之間相互作用的原子機理。保守的Σ11（113）GB缺陷適應機制和GB孿生耦合演化，其中局部原子位移主導了GB缺陷相互作用。此外，由於GB上留有易碎的殘留斷層，因此剪切耦合的GB遷移不受交互作用的幹擾。這些發現為在不同晶格缺陷影響下GB遷移的原子機理提供了全面的認識，極大地推動了GB主導的可塑性的理論發展。
晶粒長大是熱或機械刺激下的常見動態現象，嚴重影響了多晶材料的微結構穩定性。大量的理論和實驗研究通過一系列機制使晶粒的生長合理化，包括晶界（GB）遷移、GB擴散、原子改組和晶粒旋轉/聚結。在GB遷移過程中，經常會遇到先前存在的缺陷，例如溶質、空位和位錯（例如，嚴重的塑性變形和變形/循環誘導的晶粒長大後的再結晶），這會通過通過溶質拖動/釘扎，空位產生/湮滅或位錯相互作用顯著影響GB遷移率。這些缺陷影響的GB行為明確地影響多晶材料的力學性能。例如，在金屬材料的疲勞過程中，位錯和GBs之間的頻繁相互作用主要決定著晶間的變形行為。在納米晶材料中，GB運動變得更加明顯，晶格缺陷和可移動GB之間的相互作用決定了它們的穩定性。然而，由於突出的機械複雜性和技術局限性，在與晶格缺陷相互作用下的GB變形的原子機理仍然不清楚。通常，在GB遷移過程中GB斷開的動態過程可能會極大地影響GB晶格缺陷的相互作用，而這種相互作用尚待探討。因此，迫切需要進行實驗研究，以便對受格缺陷相互作用的GB遷移過程中的結構演化進行觀察。
基於此，浙江大學通過進行最先進的原位納米力學測試和分子動力學（MD）模擬，揭示了金（Au）納米晶體中不同晶格缺陷相交處的剪切耦合GB遷移的原子機理。以具有代表性的低能Σ11（113）對稱傾斜GBs（STGBs）的Au孿晶為例，證明了相交的晶格缺陷（包括完全位錯）不會干擾斷開介導的STGB遷移。堆垛層錯（SFs）和納米孿晶儘管在變形過程中會發生不同的相互作用動力學。遷移後，Σ11（113）GB可以通過順序的芯吸收和SF發射來適應60°全晶格位錯，這在GB上留下了易碎的殘留斷開連接。原子觀測進一步證明了與遷移的Σ11（113）GB相交的SF的類似適應機制。相比之下，撞擊的納米孿晶在GB上誘導了一個小平面，這可以根據GB遷移促進GB斷開的核化和孿晶膨脹。這些發現為有關GB位錯相互作用的幾何標準提供了系統的實驗證據，並在晶格缺陷的影響下對GB動力學形成了空前的原子性了解，這最終將激發未來在實際情況下以GB為主的可塑性的研究。相關研究結果以題為「In situ atomistic observation of grain boundary migration subjected to defect interaction」發表在金屬頂刊《Acta Materialia》上。
論文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420306182
通過進行集成原位TEM納米力學測試和MD模擬，本文發現了Σ11（113）STGB在常見晶格缺陷（包括全位錯，SF和南奧特溫斯）的影響下剪切耦合遷移的原子機理。並引入了一種新的實驗方法，該方法解決了實現應力誘發的GB缺陷相互作用的實時原子觀察的長期挑戰。
圖1. GB在60°晶格位錯上遷移。（a）由Σ11（113）對稱傾斜GB（STGB）組成的納米級金Au雙晶。底部晶粒（G1）中預先存在4個60°位錯（＃1至＃4），其伯氏矢量為1/2 [-101] 1，S和D分別表示預先存在的單層和雙層GB斷開連接。（b）斷開介導的向下GB遷移（由白色箭頭指示）朝向由施加於底部晶粒的水平剪切載荷引起的晶格位錯遷移，如黃色箭頭所示。（c）11（113）STGB與晶格位錯之間的相互作用。插圖顯示了由晶格位錯的應力場引起的微小GB扭結。（d-f）連續向下遷移GB後，連續容納＃1，＃2和＃4脫位。（f）從GB上的錯位容納場所向G2重新排放堆垛層錯（SF）。GB容納之前和之後的位錯核心分別以淺藍色和紅色區分。
圖2.Σ11（113）GB的位錯適應的原子機制。（a-d）在平板GB處容納60°完全脫位（＃4）。（e-h）在單層GB斷開處容納60°全位錯（＃3）。黃色和白色菱形分別描繪了扁平GB和隔離芯上的C型結構單元。紫色和紅色不規則菱形分別表示由遠距離應力場和入射位錯核心引起的扭曲的原子柱。（i）示意圖說明晶格全位錯在11（113）GB容納期間的分解。藍色，黑色和紅色箭頭分別表示傳入的60°全位錯，單層殘餘斷層和次級GB位錯的伯氏矢量。
圖3.具有不同GB結構的全晶格位錯之間的相互作用。（a-b）平行的MD模擬快照，顯示（a）之前和之後（b）與G1完全脫位相互作用的不同GB結構。SF發射出現在所有設置11（113）GB的結構上。（c-e）順序快照分別顯示了在錯位適應和平坦的GB，單層和雙層斷開處的GB鬆弛期間的核心演變。綠色和黃色原子表示GB和SF平面上的原子，其中所有以面心立方（FCC）原子都被除去。與隔離芯相鄰並處於變形狀態的C型結構單元分別被標記為藍色和紫色。紫色箭頭表示與位錯適應和GB處的SF發射相關局部原子位移。
由於機械載荷的顯著穩定性，首先解決了GB缺陷相互作用期間相交核心處的原子位移。在剪切誘導的GB遷移過程中，明確地提出了Σ11（113）STGB處的單個全位錯和SF的容納的原子機制，這通常由相交部位和原子的位移決定。與GB的滑移幾何相比之下，與GB相交的納米孿晶促進了分離連接活動，並隨著隨後的GB遷移而協調擴展/收縮。
圖4.在反向剪切載荷下，全位錯在Σ11（113）GB上的傳輸。（a）金雙晶的G2中存在三個完全位錯。（b）在施加於G1的剪切載荷作用下，同時新生的GB向上遷移和向下脫位彼此滑動。（c）GB晶格位錯相互作用和所產生的殘餘單層斷層（S）。（d）在GB的錯位住所中，SF排放到G1中。（e）將三個完整的位錯完全排放到G1中。（f）連續的GB向上遷移和準靜態晶格錯位。插圖是經過Bragg濾波的圖像，確認了相互作用後G1中存在三個完全位錯。
圖5.滑移系統對GB完全位錯相互作用產生影響。（a-d）在隨後的GB遷移過程中，剪切加速的位錯吸收和相交部位的結構演變。（e-f）交叉點處的斷口b3/3固定了GB的右段，同時通過光滑的斷口的成核和傳播促進了左段的遷移（藍色箭頭所示）
圖6. 剪切誘導的GB遷移在不同平面缺陷的相交處。（a）預製的水平Σ11（113）GB的金雙晶。（b）向底部晶粒（G1）施加向左的剪切載荷，這會導致GB向上遷移並同時從影響GB的自由表面同時形成三個SF。 （c）GB-SF交叉點和右自由表面的連續斷開成核促進了GB的遷移。SF隨著GB的遷移而繼續橫向擴展，而沒有尾隨的部分位錯的形核。（d）對GB感興趣的表面成核的納米孿晶（4），它在GB上產生了一個刻面。（e-f）與SF和nanotwin的橫向擴展相關的GB持續向上遷移
圖7. 滑移系統相關的SF容納量為Σ11（113）GB。（a-d）GB-SF交叉點的傾斜角度為29.5°。（a-b）SF1與GB相交並導致GB上的雙層斷開。與交叉點相鄰的雙層斷開立即與部分αC1反應，而遠離交叉點的雙層斷開則在左自由表面湮滅。（c）從交會點成核並沿GB傳播的單層分離。（d）與GB遷移相關的SF連續擴展。沿所有方向的自由邊界條件被用作（a-d）。（e-h）GB-SF交叉點，傾斜角度為80°。（e-f）G1中與SF1結合的30°部分δC1被吸收到GB中，從而在GB上引起了易滑的單層斷開（S）。（g-h）重新發射G2中的邊緣部分Dα2，然後消除SF1
圖8. GB在與nanotwin相交的情況下遷移。（a）由11（113）GB與納米孿晶（厚度為7個原子層）相交組成的Au雙晶。在剪切載荷作用下從左表面成核的單層斷開（S）。（b）與GB TB1交界處相互作用的GB斷開的橫向傳播。（c）隔離線通過交叉點的迅速傳播。（d）GB斷開在GB2上GB-雙結附近的連續成核。（e）納米雙胞胎的橫向生長（紅色箭頭所示）與GB遷移相結合。（f）遷移左GB部分（GB1）。（g-h）放大的快照，顯示了孿生擴展之前和之後的構面配置。（i）（g-h）的重疊圖像顯示與小平面傳播相關的局部原子位移。灰度原子列表示（g）中雙生子生長之前的原子
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