北工大韩晓东联合浙大张泽在science新突破：在原子尺度上跟踪晶界的滑动

01【导读】

晶界（GB）是分离不同晶体取向的晶粒的界面。当相邻的两个晶粒发生平行于边界面的相对位移时，GB发生滑动。多晶材料在高温下的扩散蠕变和常温下的塑性变形会对材料的非弹性变形产生强烈的影响。近年来，GB滑动在纳米晶金属的塑性变形和晶粒尺寸稳定研究中受到了广泛的关注。虽然利用各种原位和非原位实验技术对GB介导的变形进行了研究，但GB滑移所采用的原子尺度过程仍不清楚，这主要是因为缺乏直接的高分辨率实验观测。在过去的几年中，原位原子分辨实验取得了迅速的进展。然而，与一般GB变形相关的原子尺度过程还没有明确的解决，主要是因为在GB变形过程中跟踪原子运动是极其困难的。

原子建模和模拟已经为我们提供了目前对伴随GB变形的原子尺度事件的大部分理解。例如，分子动力学(MD)模拟研究了面心立方(FCC)双晶体中特殊类型的重合点阵倾斜GBs的力学行为。这些模拟表明，通过GB和相邻晶格之间的结构单元转换，GB滑动和迁移之间存在很强的耦合，这种耦合允许在GB结构没有变化的情况下滑动。

02【成果掠影】

今日，北京工业大学韩晓东教授联合美国佐治亚理工学院Zhu Ting教授和浙江大学张泽教授进行了原位原子分辨率研究，以揭示如何在铂双晶中的一般倾斜GB上实现滑动主导变形。观察到沿GB的直接原子尺度滑动或在边界平面上的原子转移滑动。后一种滑动过程是由使GB原子能够传输的断开运动介导的，从而导致了以前无法识别的耦合GB滑动和原子平面转移的模式。

作者展示了一个时间序列的原位Cs-TEM图像，该图像提供了一个具有代表性的例子，即非对称<110>-倾斜GB滑动约19 Å，相邻晶粒之间的取向错误角为20.1°（图 1，A 到 H）。初始GB片段的放大 Cs-TEM 图像显示左侧(G_L) 和右侧(G_R) 晶粒均与<110>区轴对齐，因此白点代表<110>的投影原子柱（图 1I）。一般的高角度倾斜GB在原子尺度上很少是平坦的。常见的不对称GB（通常在真实多晶中观察到）倾向于形成具有原子级台阶的原子级刻面（在GB平面的一侧或两侧）。对于所研究的GB段（图1I），边界的一侧在晶粒 G_R的表面上呈现平坦、紧密堆积的{111}晶面，而另一边则涉及到颗粒G_L表面的原子级波纹，这反映了该晶粒面是晶粒G_L的高指数{331}平面这一事实。

03【数据概览】

图 1。Pt 双晶中不对称倾斜 GB 的原子尺度滑动。

图 2。以非对称 <110> 倾斜 GB 原子分辨滑动。

图 3。原子柱轨迹的自动跟踪。

图 4。GB Lomer 锁的运动和形成。

04【成果启示】

跟踪 GB 的时间分辨、原子尺度运动的能力为深入了解 GB 滑动机制和多晶材料的机械行为提供了机会。以前没有报道过一些观察到的一般倾斜GB滑动的原子机制。目前的结果清楚地显示了一般 GB 在低温下是如何滑动的，并且没有（或很少）伴随 GB 迁移。总的来说，这项工作展示了利用原位原子分辨率 TEM 实验来理解多晶材料中界面介导的变形和失效机制的巨大潜力，并为实验和原子建模之间的高分辨率握手提供了新的机会。