金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部葉恒強(qiáng)院士、杜奎研究員、博士生章煒與清華大學(xué)朱靜院士、于榮副教授等合作研究，利用球差校正電鏡發(fā)現(xiàn)在Laves相金屬間化合物中，位錯(cuò)通過(guò)反復(fù)地在上下兩個(gè)不同的滑移面間來(lái)回跳躍，從而以波浪形狀的路徑向前滑移。這種位錯(cuò)滑移機(jī)制的產(chǎn)生歸結(jié)于Laves相中不同原子層之間結(jié)合力的不同。這種特殊的變形機(jī)制將有利于解釋金屬間化合物在高溫變形時(shí)存在脆-韌轉(zhuǎn)變的特性。該研究結(jié)果已在Physical Review Letters (106, 165505, 2011)上發(fā)表。
金屬間化合物雖然具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，適合用作耐高溫材料，但是它們?cè)谑覝叵碌拇嘈試?yán)重地阻礙了其工業(yè)應(yīng)用。這類(lèi)材料要實(shí)現(xiàn)塑性變形，往往需要加熱到很高的溫度（脆-韌轉(zhuǎn)變溫度以上），位錯(cuò)才可能被激活。由于金屬間化合物具有復(fù)雜和特殊的結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)在其中的運(yùn)動(dòng)不像在金屬中那樣簡(jiǎn)單，它們的滑移往往需要涉及幾個(gè)甚至幾十個(gè)原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，而不僅僅是在某個(gè)固定的滑移面上簡(jiǎn)單的剪切過(guò)程。這樣，位錯(cuò)滑移的區(qū)域也由一個(gè)滑移面擴(kuò)展為一個(gè)滑移區(qū)域。這樣復(fù)雜的過(guò)程需要通過(guò)高溫的熱激活降低原子間的鍵合，從而使得原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)成為可能。但是，目前還沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示這個(gè)復(fù)雜滑移過(guò)程的具體步驟，以解釋熱激活是如何促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的。
科研人員利用球差校正電鏡，在原子尺度上確定了Laves相中基面不全位錯(cuò)的核心結(jié)構(gòu)，從而揭示了位錯(cuò)在一個(gè)柏氏矢量距離上的運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)階段組成的：首先，位錯(cuò)在結(jié)合力較弱的滑移面上以晶體學(xué)滑移的方式移動(dòng)；接著，位錯(cuò)跳躍至另一個(gè)結(jié)合力較強(qiáng)的滑移面，以原子重整(shuffle)的方式實(shí)現(xiàn)三層原子的重新排列，從而避免了單純晶體學(xué)滑移會(huì)造成的高能壘狀態(tài)；最后，位錯(cuò)返回到原來(lái)的滑移面，繼續(xù)晶體學(xué)滑移。由于位錯(cuò)在每個(gè)柏氏矢量距離的運(yùn)動(dòng)中都必須經(jīng)歷一次原子重整，因此位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)需要熱激活的幫助才能完成。
另外，通過(guò)對(duì)位錯(cuò)周?chē)亩繎?yīng)變分析，也發(fā)現(xiàn)了這一特殊的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)周?chē)哂挟惓５膽?yīng)變場(chǎng)分布。雖然利用Foreman 模型計(jì)算出的位錯(cuò)周?chē)膽?yīng)變場(chǎng)分布和實(shí)驗(yàn)得到的大致相符，即滑移面上半部區(qū)域是壓應(yīng)變狀態(tài)，下半部區(qū)域是拉應(yīng)變狀態(tài)，但是實(shí)驗(yàn)得到的拉應(yīng)變卻是一種花瓣形分布，與集中分布在位錯(cuò)正上方的壓應(yīng)變呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的形態(tài)，甚至在位錯(cuò)核心正下方?jīng)]有任何應(yīng)變分布。這種奇特的應(yīng)變場(chǎng)分布，跟這種特殊的滑移過(guò)程導(dǎo)致的位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。這也同時(shí)表明，要得到精確的位錯(cuò)應(yīng)變場(chǎng)分布，尤其是在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料中，往往需要精確地確定位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)。
Laves相中波狀滑移機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，不僅有助于理解金屬間化合物的脆-韌轉(zhuǎn)變，也將豐富對(duì)金屬間化合物中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也擴(kuò)展了對(duì)于位錯(cuò)性質(zhì)的認(rèn)知和進(jìn)一步理解。自然界中很多脆性材料都具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這也將預(yù)示這種波狀滑移機(jī)制有可能用于解釋更多材料的變形過(guò)程。
該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，同時(shí)也得到了北京電子顯微鏡中心和上海超級(jí)計(jì)算中心的支持。
圖1波狀滑移機(jī)制的示意圖。(a)從側(cè)面顯示了位錯(cuò)的滑移過(guò)程。(b)和(c)從俯視的方向顯示了原子沿著Z字形的路徑向前運(yùn)動(dòng)。(d)中計(jì)算模擬像（上）與實(shí)驗(yàn)像（下）相互一致。(e)顯示了波狀滑移是所有可能滑移機(jī)制中能壘最低的一條路徑。
圖2 (a)利用LADIA軟件對(duì)位錯(cuò)核心的高分辨像進(jìn)行定量分析得到的應(yīng)變分布圖，其中三角形表示了位錯(cuò)核心位置。(b) 實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算得到的應(yīng)變分布的比較。
