【复材前沿】晶界变形机制新突破，Nature研究揭示剪切耦合迁移关键规律

研究背景

金属与合金在温度、压力、应变速率等多种条件下的塑性变形，主要通过位错这一线性缺陷的运动实现，其力学行为由位错的存在与移动特性决定。实际应用中的金属多为多晶结构，不同晶粒间由晶界分隔，晶界是阻碍位错运动的天然屏障。霍尔-佩奇关系描述了金属屈服强度随晶粒尺寸减小而提升的现象，核心是位错在晶界处堆积受限。但当晶粒尺寸缩小至纳米级时，晶粒内部几乎无位错，塑性阈值会饱和甚至下降，这一转变通常与晶界驱动的塑性过程相关。剪切-迁移耦合被认为是其中最有效的机制，然而关于迁移晶界产生的剪切量，学界仍缺乏统一量化标准。中小晶粒晶体在低温、中温变形时，存在两个关键未解问题：是否存在主导变形机制？若主导机制为剪切耦合晶界迁移（SCGBM），如何对其进行量化？

研究问题

本研究通过实验证实，小晶粒多晶体中，晶界引发的剪切量不依赖于晶界取向差，且整体效率较低。这一发现提出了晶界认知的新视角：晶界并非携带固有“耦合因子”的晶体缺陷（类似位错的伯格斯矢量），而是包含特殊缺陷（如错连）的特定晶格结构，这些内部缺陷才是决定晶界力学性能的关键。研究还证实，多晶体可在无位错参与的情况下发生塑性变形，但效率有限，这为解释纳米晶金属在低温、室温下延展性差的现象提供了新的研究方向。

图1| 预裂纹超细晶铝薄片的明场透射电镜显微图像与晶体取向图叠加结果

要点：

1.为了排除位错活动的干扰，单独研究晶界机制，研究团队选择了消除晶内位错的稍大晶粒样品，在中等温度（约210-230℃）下对超细晶铝进行测试。图1展示了透射电镜样品的初始状态：样品经220℃退火消除晶内位错后，于25℃预制垂直于拉伸轴的裂纹。通过在裂纹前端集中应力，最大程度提高了观测特定取向晶界迁移及耦合效应的可能性。

图2|220℃原位透射电镜拉伸实验中，晶界迁移相关塑性应变的测量过程

要点：

1.在成功的原位透射电镜实验中（观测到应力驱动的晶界迁移且无位错参与），研究团队通过数字图像相关技术，对15次晶界迁移引发的可观测剪切应变进行量化分析。剪切耦合晶界迁移的效率通常用β因子（剪切位移与迁移距离的比值，即剪切应变）评估。如图2所示，面内应变测量以固定点（大白色矩形）为参照，通过追踪迁移前后表面标记点（小白色方框内的点）实现。在该案例中，晶界迁移距离为90纳米，面内应变大致平行于晶界惯习面，平均剪切位移为2.5纳米，最终得出该28°大角度晶界的β值为2.8%。

2.实验还发现，部分晶界迁移会伴随晶粒旋转（此时平均β因子无意义，因应变方向围绕中心点变化），但此类现象占比不足5%。值得注意的是，同一晶界在迁移过程中β值可能发生波动，即使惯习面保持不变，β值也可能从接近零波动至百分之几。研究中所有观测的迁移晶界均保持取向差不变，原位透射电镜测量的β值（红点）与原子力显微镜测量结果（蓝点）均汇总于图4。

图3| Al3%Mg超细晶块体样品在250℃、4 MPa条件下压缩35分钟后，晶界迁移导致的表面形貌变化

要点：

1.由于剪切耦合晶界迁移的塑性应变可能在三维空间产生，而原位透射电镜仅能观测面内分量，研究团队还对块体样品的表面行为进行了监测。图3a展示了初始镜面抛光的Al3%Mg合金块（6×3×3 mm³）在低应力（4 MPa）、250℃条件下压缩35分钟后的表面变化。通过优化实验条件，既保证了足够的晶界迁移量以进行量化，又避免了初始晶粒结构被破坏，从而能够追踪单个晶界，并通过电子背散射衍射（EBSD）监测其取向差变化。

2.蠕变前后的晶体取向图显示，发生迁移的晶界区域呈灰色，未迁移区域呈黑色（图3d）。迁移距离通过分布图推导得出，由于晶界惯习面可能在运动中变化（如与三叉晶界相互作用），需为每个晶界定义平均迁移距离。伴随晶界迁移的剪切位移主要体现在表面，研究团队通过原子力显微镜（AFM）测量剪切位移，并与迁移分布图关联（图3f）。每个移动晶界的β因子由剪切位移除以对应迁移距离计算得出，图3f顶部展示了跨越三个晶粒的典型AFM剖面及对应迁移示例。

图4| 原位透射电镜与原子力显微镜测量的迁移晶界β因子分布

要点：

1.原子力显微镜方法可获得更大量的β统计数据，与原位透射电镜结果一致：首先，β因子不依赖于晶界取向差，同一晶界在迁移过程中β值可能变化，这与“β并非晶界本征属性”的模拟结论相符。而传统理论认为β因子直接取决于晶界取向差，其预测的β模量在图4中以蓝绿色实心圆盘表示。其次，无论晶界类型与取向差如何，β因子始终维持在较低水平，透射电镜测量的平均β值约为0.03，若仅考虑倾转分量，平均值约为0.08。

总结与展望

本研究的发现可能推动晶界本质认知的革新。从位错塑性理论角度推导，金属与合金的力学性能（强度、延展性等）源于材料内部缺陷，而非完美晶格结构。近期关于晶界迁移率的研究也证实，在扩散受限的低温条件下，晶界力学性能由其内部缺陷（如错连）决定，而非宏观特征（惯习面、取向差）或表面结构。这意味着晶界并非基础缺陷，而是承载更基础缺陷的载体，这些内部缺陷才是主导晶界动态特性的关键。

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