祝贺!北京工业大学发:《Science》!

2022年3月17日,北京工业大学韩晓东、佐治亚理工学院朱廷和浙江大学张泽共同通讯(北京工业大学为第一单位)在Science 在线发表题为“Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale”的研究论文,该研究进行了原位原子分辨率研究,以揭示在铂双晶中的一般倾斜 GB 中如何实现滑动主导变形。 

该研究观察到沿 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,导致以前无法识别的耦合 GB 滑动和原子平面转移的模式。这些结果使研究人员能够在原子尺度上理解一般 GBs 如何在多晶材料中滑动。值得关注的是,这是北京工业大学首次以第一单位在Science 发表的研究论文。

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晶界 (GB) 是分隔不同晶体取向的晶粒的界面。当两个相邻晶粒发生平行于边界平面的相对位移时,GB 滑动。GB 滑动,有时与 GB 迁移相结合,会强烈影响多晶材料的非弹性变形,例如高温下的扩散蠕变和环境温度下的塑性变形 。GB 滑动最近在纳米晶金属的塑性变形和晶粒尺寸稳定性研究中受到了相当大的关注。

尽管已经使用各种原位和非原位实验技术研究了 GB 介导的变形,但 GB 滑动的原子尺度过程仍不清楚,主要是因为缺乏直接的高分辨率实验观察。在过去的几年中,原位原子分辨率实验取得了快速进展。然而,与一般GB变形相关的原子尺度过程尚未得到明确解决,主要是因为在GB变形期间跟踪原子运动非常困难。

原子建模和模拟提供了目前对伴随 GB 变形的原子尺度事件的大部分理解。例如,分子动力学 (MD) 模拟已经检查了面心立方 (FCC) 双晶中特殊类型的重合位点晶格倾斜 GB 的机械行为。这些模拟揭示了 GB 滑动和迁移之间的强耦合,通过 GB 和相邻晶格之间的结构单元转换,这允许在 GB 结构没有变化的情况下滑动。这一概念已被推广以解释一般 GB 双晶学和 GB 中的变形承载线缺陷的运动,即断开。

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原子柱轨迹的自动跟踪(图源自Science 

断开由台阶高度和 Burgers 矢量共同表征:如果台阶高度为零,则断开为纯位错,而如果 Burgers 矢量为零,则断开为纯台阶。MD 模拟还表明,一般 GB 的变形在室温下由 GB 断开运动介导时,通常会导致 GB 滑动和迁移耦合,而纯滑动只发生在相对较高的温度下。与特殊的高对称性 GBs不同,实际多晶中的 GBs 通常是一般类型,即低对称性双晶、不对称 GB 平面和非平面 GBs。上述来自高度理想化的原子建模和模拟的GB滑动的原子过程是否直接适用于实验室负载条件下多晶中的一般GB,还有待证明。

该研究进行了原位原子分辨率研究,以揭示在铂双晶中的一般倾斜 GB 中如何实现滑动主导变形。 该研究观察到沿 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,导致以前无法识别的耦合 GB 滑动和原子平面转移的模式。 这些结果使研究人员能够在原子尺度上理解一般 GBs 如何在多晶材料中滑动。

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