上海交大重磅Nature子刊纳米结构金属位错爬升和晶界演化

　　导读：在结晶材料的塑性变形和蠕变中非保守位错爬升起着独特的作用。然而，位错攀升的潜在原子尺度机制尚未通过直接实验观察进行探索。本文报告了在室温下原位应变期间纳米结构Au中晶界(GB)位错爬升的原子尺度观察。线位错的爬升是通过应力诱导重建位错核心中额外半原子平面边缘的两个相邻原子柱而发现的。这与通过破坏或在位错核心处构建单个原子柱来实现位错攀登的传统观点不同。我们提出的位错爬升的原子路线被蒙特卡罗模拟证明在能量上是有利的。我们的原位观察还揭示了在室温下通过位错爬升的晶界演化，这揭示了一种控制纳米结构金属的微观结构和性质的方法。
　　由于纳米尺度上的强烈尺寸效应，纳米结构金属通常表现出优异的机械性能。它们已被用作现代纳米技术和电子技术的重要组成部分。 通常，晶体的纳米级尺寸会影响位错的产生、运动、反应和湮灭。然而，纳米级结构中位错运动的原子级机制仍然难以捉摸，特别是对于涉及非保守运动脱离原始滑移面的位错攀登。已经进行了理论计算和原子模拟，以研究位错在相关时间和温度尺度上的攀升。基于离散位错动力学和相场方法的中尺度模拟也已用于研究位错爬升。然而，据我们所知，位错爬升的原位原子尺度实验观察尚未实现。因此，位错核心在其爬升过程中的动态演化尚不清楚，纳米尺寸对位错爬升的影响仍然鲜为人知。
　　在此，上海交通大学的储淑芬，刘攀等人联合东北大学等报告了在具有面心立方(FCC)结构的脱合金纳米多孔金中的Au韧带中倾斜晶界(GB)的位错爬升的原位原子尺度观察。GB位错的爬升由室温下施加的弯曲载荷驱动。结果，大多数攀爬GB位错从韧带的自由表面逸出，导致高角GB（HAGB）演变为Σ3孪晶界（TB）。观察到的原子级位错攀登过程揭示了室温下非保守位错运动的一条意想不到的路线，这与传统的理解不同。
　　相关研究成果以题＂Insituatomic-scaleobservationofdislocationclimbandgrainboundaryevolutioninnanostructuredmetal＂发表在《自然》（Nature）子刊上。
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31800-8#additional-information
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　　使用透射电子显微镜(TEM)内的双倾斜致动器进行原位应变实验。以每秒30帧的高速率记录高分辨率TEM(HRTEM)图像，这极大地有助于跟踪单个GB位错的逐步运动。图1a显示了加载前直径~7 nm的Au韧带的原子结构（时间t = 0 s）。韧带的重建原子模型如图1h所示。韧带由三个纳米颗粒组成，左右颗粒之间有一个Σ3TB，中右颗粒之间有一个HAGB。所有三个晶粒都沿[1 10]区域轴对齐。模拟的原子图像表明HRTEM图像中的暗点对应于Au原子柱。HAGB由TB和附近的边缘位错阵列组成，彼此垂直排列。由于这些位错接近但远离TB，因此Burgers矢量的边缘分量可以通过Burgers电路分析从HRTEM图像中清楚地确定。
　　图1：具有代表性的原位HRTEM图像显示了HAGB处的室温位错爬升和从HRTEM图像重建的原子模型。a插图中的Burgers电路表示位错的相同边缘分量。新形成的孪晶薄片用g中的红色虚线表示。比例尺：a2 nm和b–g1 nm。h从a中的HRTEM图像重建的原子模型。预先存在的Σ3TB用深灰色平面标记，位错核心用红色原子柱突出显示。黄色曲面表示弯曲的中性平面。i对应于b-g中HRTEM图像的重建原子构型。
　　图2：从HRTEM图像测量的位错＂4＂的爬升速度和位移。a-eHRTEM图像显示核心的快速移动（由虚线圈出）。比例尺：1 nm。f在整个原位应变过程中，位错＂4＂的爬升速度和位移随时间变化。
　　图3：正爬升过程中位错核心的重建。a-f显示位错核心重建的一系列HRTEM图像。比例尺：0.5 nm。g沿a-f中的虚线矩形提取的相应对比度强度分布。h-lGCMC结果揭示了正爬升过程中位错核的原子结构演变。上排图像显示了两个GB位错（用符号 标记）的每个核心处两个相邻原子柱（红色）合并过程的俯视图（xy平面）。下一行显示了通过沿h中的黑色虚线切割原子结构生成的相应侧视图（xz平面）。另外两个相邻的原子柱（青色）作为参考，不直接参与攀登位错核心的重建过程。
　　图4：负爬升过程中位错核心的重建。a-d显示重建过程的一系列HRTEM图像。比例尺：0.5 nm。e沿a-d中的虚线矩形提取的相应对比度强度分布。