孿晶界是一種具有完美對稱性的共格面缺陷，可賦予金屬材料更好的綜合性能，例如高強度、延展性、抗疲勞性能和良好的電導(dǎo)率等。其中，孿晶界對于材料力學(xué)性能的調(diào)控主要源于孿晶界與位錯的交互作用，包括位錯形核、塞積與穿越等；另一方面，位錯沿孿晶界運動會導(dǎo)致孿晶界遷移和退孿晶，從而貢獻(xiàn)一定的塑性，但也會導(dǎo)致材料軟化。值得注意的是，孿晶界-位錯的交互作用在一定程度上抑制了孿晶界的本征變形，孿晶界動力學(xué)行為及其轉(zhuǎn)變機制尚不清楚。塊體材料中，晶界等幾何約束不可避免地會與孿晶變形密切耦合，難以針對性地研究孿晶本征的塑性變形行為。因此，具有可控孿晶界密度和取向的金屬納米晶體是研究納米孿晶本征塑性變形機制的理想模型。

近日，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張澤院士-王江偉研究員團隊、浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心楊衛(wèi)院士-周昊飛研究員團隊與美國佛蒙特大學(xué)Fredric Sansoz教授合作，利用原位TEM納米力學(xué)測試方法揭示了Au納米晶體在剪切加載下通過孿晶界滑移主導(dǎo)的塑性變形機制，并結(jié)合分子動力學(xué)和有限元模擬，系統(tǒng)研究了孿晶取向和幾何形貌對孿晶界滑移機制的影響，構(gòu)建了取向依賴的孿晶界本征塑性變形-脆性斷裂轉(zhuǎn)變機理圖。相關(guān)成果以“Revealing extreme twin-boundary shear deformability in metallic nanocrystals”為題發(fā)表在Science Advances上，文章圖片獲選網(wǎng)站featured image。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe4758

研究人員首先利用原位焊接技術(shù)制備了包含多條平行孿晶界的Au納米晶體，如圖1A。在平行于孿晶界的剪切加載下，TB1和TB2之間通過表面形核產(chǎn)生大量Shockley不全位錯并誘發(fā)退孿晶；同時，在TB1與右側(cè)表面相交處由孿晶界滑移誘發(fā)的臺階逐漸擴大（圖1B-C）。Au納米晶體后續(xù)的剪切變形由沿TB1的連續(xù)滑出主導(dǎo)，最終在TB1和TB2之間實現(xiàn)364%的剪切應(yīng)變（圖1D-F）。

圖1.剪切加載下Au納米晶體的大范圍塑性變形。（A）Au納米晶體的初始構(gòu)型。（B-C）TB1和TB2之間的位錯表面形核與退孿晶。（D-F）TB1連續(xù)滑出導(dǎo)致Au晶體發(fā)生大范圍剪切變形。

原子尺度動態(tài)分析表明，Au納米孿晶的塑性變形由4種特征的位錯機制參與（如示意圖2A）。這4種不同位錯對應(yīng)特征的柏氏矢量和原子尺度結(jié)構(gòu)演化機制，如圖2B-E所示。根據(jù)不同位錯的特征柏氏矢量，研究人員定量統(tǒng)計了整個加載過程中不同位錯機制對納米晶體剪切應(yīng)變的累計貢獻(xiàn)（圖2F）。初始變形階段（0-250 s），不同位錯機制對Au納米晶體塑性變形的貢獻(xiàn)相當(dāng)。250-580 s，平行于TB的Shockley不全位錯和TB全位錯機制導(dǎo)致TB1- TB2之間退孿晶和TB1滑移。580 s后，TB1上全位錯形核與運動導(dǎo)致孿晶界的持續(xù)滑移成為主導(dǎo)機制，最終實現(xiàn)了364%的剪切應(yīng)變。整個剪切變形過程中，孿晶界滑移的貢獻(xiàn)約為總剪切應(yīng)變的78%，驗證了孿晶界滑移機制主導(dǎo)的極端塑性變形能力。

圖2.Au納米晶體剪切變形的原子尺度機制。（A）納米孿晶中四種位錯機制的示意圖。（B-E）不同位錯的柏氏矢量及原子尺度結(jié)構(gòu)演化。（F）Au納米晶體剪切變形過程中不同位錯機制對應(yīng)變的累計貢獻(xiàn)。

納米晶體中孿晶界的塑性變形主要由表面形核主導(dǎo)，因此孿晶界滑移機制的啟動顯著依賴于納米晶體表面的原子結(jié)構(gòu)與幾何形狀。為此，研究人員利用分子動力學(xué)模擬對樣品表面結(jié)構(gòu)和幾何形狀的影響開展了對比研究，結(jié)果表明在理想光滑表面（圓柱模型，圖3A）和納米孿晶特征的鋸齒狀表面（圖3B）構(gòu)型下，施密特因子仍然是決定孿晶界變形機制的關(guān)鍵因素，即沿[101]和[112]方向剪切分別導(dǎo)致孿晶界的滑移與遷移（退孿晶）。當(dāng)相鄰孿晶片層的幾何形狀存在顯著變化時，晶界遷移被幾何不連續(xù)性限制，因此可在[112]剪切下觀察到孿晶界滑移主導(dǎo)的剪切變形行為（圖3C）。

圖3.幾何形貌對孿晶界變形機制的影響。（A1-A3）具有理想表面的Au納米晶體在[101]-剪切加載下發(fā)生孿晶界滑移。（B1-B3）鋸齒狀納米孿晶在[112]-剪切加載下孿晶界發(fā)生遷移和退孿生。（C1-C3）孿晶片層尺寸的不均勻性導(dǎo)致[112]-剪切加載下發(fā)生孿晶界滑移。

研究人員進一步考察了不同加載方向?qū)\晶界塑性變形能力的影響。除了平行于孿晶界平面的剪切加載，孿晶界在不同方向的單軸拉伸加載下（孿晶界與拉伸方向的夾角為φ），仍然能保持一定程度的滑移變形能力。然而，當(dāng)拉伸方向與孿晶界的夾角增大至趨于正交時，Au從孿晶界滑移主導(dǎo)的變形轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y沿孿晶界的形核與快速擴展。在此基礎(chǔ)上，本文對比考察了預(yù)置裂紋沿孿晶界擴展和誘發(fā)位錯形核的臨界應(yīng)力，并提出了定量描述孿晶塑性變形加載方向依賴性的剪切因子χ，與實驗中孿晶界滑移-裂紋擴展的轉(zhuǎn)變完全吻合（圖4），由此建立了取向依賴的孿晶界本征塑性變形-脆性斷裂轉(zhuǎn)變機理圖。

圖4.取向依賴的孿晶界本征塑性變形與剪切因子χ曲線。

本文基于原位力學(xué)測試、多尺度模擬和理論計算，揭示了金屬納米晶體中孿晶界的本征剪切變形能力，系統(tǒng)研究了納米晶體幾何形貌、加載方向?qū)\晶界滑移機制的影響，構(gòu)建了取向依賴的孿晶界滑移-脆性斷裂轉(zhuǎn)變機理圖，對深入理解孿晶界的塑性變形能力、提升金屬納米材料的塑性變形能力具有重要指導(dǎo)意義。

本工作得到了國家自然科學(xué)基金委的資助。祝祺博士、博士生孔令一和盧海明為論文共同一作，浙江大學(xué)王江偉研究員、周昊飛研究員和美國佛蒙特大學(xué)Frederic Sansoz教授為論文通訊作者，張澤院士、楊衛(wèi)院士對本工作提出了寶貴的指導(dǎo)意見。

審核編輯 ：李倩