Science解读：Ni多晶体中晶界速度和曲率不相关

背景介绍

在多晶材料的高温加工过程中，晶界迁移是影响最终微观结构的主要原因，决定了材料的许多宏观性能。这一现象从许多材料中可以明确观察到。例如，晶界的内部结构影响集成电路中多晶铜的强度和电导率，以及高强度汽车钢的韧性。晶界的排列对电介质、热电和光伏器件中使用的功能材料的性能也有深远的影响。在地质学领域，晶界迁移模型对于理解地幔中岩石的性质和从测量大冰原的微结构获得有关古气候的信息是很重要的。晶界速度一直被认为与曲率有关，这是判断多晶材料在退火过程中粗化的一个重要的理论支撑。

在多晶材料中，晶界速度尚未被测量的技术原因是，直到最近，还没有办法测量嵌入不透明材料中的晶体的形状和体积与时间的关系。近场高能衍射显微镜(HEDM)在过去十年的发展使这成为可能。HEDM和相关技术被用于研究多晶退火过程中发生的变化，包括孪晶形成、粗化和晶粒长大。

本文亮点

1. 本工作介绍了一种通过测量不同时间间隔的微观组织来确定晶界速度的简单方法。利用镍在800°C退火过程中6次成像的三维组织，测量了已知晶体学中超过5 × 10⁴个晶面的晶界曲率和速度。

2. 本工作的Ni多晶试样在950°C下退火6小时，然后在800°C下进行晶粒生长实验，以获得最小且恒定的位错密度。

3. 本工作发现晶界速度与描述晶界晶体学的五个宏观参数之间有很强的相关性。速度对晶界晶体学的敏感性可能是缺陷介导的晶界迁移或晶界能各向异性的结果。晶界速度和曲率之间不存在相关性很可能是由于晶界网络施加约束的结果。

图文解析

图1. 晶界迁移

要点：

1. 本工作在950°C下退火6小时制备了Ni多晶试样，然后在800°C下进行晶粒生长实验，以获得最小且恒定的位错密度，不会影响晶粒生长。

2. 本工作用一种参照图1的方法来测量晶界速度。作者发现图1中的边界在不断变化，不仅位置在变化，形状和面积也在变化，无法对不同方向的单元区域进行跟踪。因此，本工作从颗粒间交换的体积中确定了速度，这种方法为整个边界提供了平均速度，改善了边界形状变化带来的问题。

3. 本工作分析了51794个纹理面。速度分布的平均值为1 μm/min，标准差相同。曲率分布平均值为0.05 μm^-1，标准差为0.08 μm^-1。平均大小对应的晶粒平均半径为20 μm，与该组织中晶粒的平均尺寸一致。所有边界都由一组三角形网格元素表示，因此本工作确定每个元素的方向、面积、曲率和速度。

图2.晶界速度作为曲率的函数

要点：

1. 本工作用散点图说明了晶面平均晶界速度和曲率之间的关系(图2,A和B)。当在整个区域查看数据(图2A)时，大部分数据落在原点附近，数量之间没有明显的相关性。对靠近原点处的区域(包含84%的数据)进一步观察，可以确认缺乏相关性(图2B)。

2. 为了检验具有相似曲率的边界的平均速度，本工作将边界划分为003 μm^-1的曲率区间(图2C)，没有发现明显的相关性。对平均值进行线性拟合得到的斜率为-0.025，相关系数仅为0.17。

图3. 平均速度作为晶体参数的函数

要点：

1. 本工作还考虑了速度随晶体参数的变化。作者发现，当取向偏差和晶界平面取向同时被指定时，晶界晶体参数对速度的影响最为显著。例如，当扭曲角为~40°时，[111]扭曲边界的平均速度大约翻倍(图3A)。

2. 类似地，本工作发现所有绕[100]轴旋转的对称倾斜晶界(STGBs)的速度相对恒定，当Σ≤49时，Σ等于反晶格符合，直到倾斜角度介于65和75°之间，其中边界速度是原来的2到3倍。

图4. Σ3和Σ7晶界的选择特性

要点：

1. 本工作考察了固定取向时速度随晶界平面取向的变化，如Σ3取向所示(图4A)。作者发现，(111)方向的相干孪晶界速度最小，方向90°的倾斜晶界速度最大。

2. 本工作的数据还表明，相干孪晶的曲率最小(图4B)，与普遍认为的孪晶界趋于平坦的趋势一致。最后，当测量的速度与之前计算的晶界移动率(12)相比较时，作者发现孪晶界具有低迁移率和低速度，并且在90°以外具有较高的迁移率。但是，{211}型边界的最大速度(图4A)被预测(图4D)较低。因此，即使将速度除以沿倾斜边界区域相对恒定的曲率，本工作观测到的速度与计算的移动量也没有很好的相关性。

3. 本工作还比较了Σ7边界(绕2°)的速度、曲率和计算迁移率(图4，E至H)，因为它们属于最高速度边界。最大速度出现在(111)扭曲晶界取向附近的一个宽峰上，在这个宽峰上也有一个最大值(图4G)，这可以归因于低的晶界能。所有其他方向的速度都较小。

4. 本工作发现，曲率分布(图4F)几乎与速度相反，在扭转位置曲率局部最小，沿倾斜边界位置曲率最大。计算得到的流度分布(图4H)与速度分布相矛盾，这种差异无法用观测到的曲率来解释，而这又加强了这种差异。

第一作者：Aditi Bhattacharya

通讯作者：Gregory S. Rohrer

通讯单位：美国卡内基梅隆大学

论文doi：

https://doi.org/10.1126/science.abj3210

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3210

本文由温华供稿。