在多晶金屬中，盡管晶界具有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)化材料的重要作用，但當(dāng)材料的晶粒尺寸減小到納米尺度時(shí)，晶界將變得不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)為：室溫下的各種機(jī)械加載（單向拉伸、疲勞、壓痕加載等）能夠誘發(fā)明顯的晶粒長(zhǎng)大和晶界遷移。另一方面，由于晶粒尺寸的減小，面心立方金屬中不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及由此而引發(fā)的孿生行為變得更加突出。關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題在于：納米尺度下晶粒長(zhǎng)大/晶界遷移是否與這個(gè)尺度下的孿晶形成有關(guān)？如果有關(guān)，孿晶形成在晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中扮演怎樣的角色？
最近，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室材料疲勞與斷裂研究部張廣平研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組（包括博士生羅雪梅和朱曉飛副研究員）通過(guò)對(duì)納米尺度面心立方結(jié)構(gòu)的金薄膜疲勞加載下晶粒長(zhǎng)大原子尺度的觀察與理論分析，揭示了孿生輔助納米晶粒長(zhǎng)大的物理機(jī)制。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，室溫下的疲勞加載導(dǎo)致平均晶粒為19 nm的20 nm厚金薄膜中晶粒長(zhǎng)大；同時(shí)，發(fā)生孿生的晶粒數(shù)目明顯增加。大多數(shù)長(zhǎng)大的晶粒中出現(xiàn)了納米尺度的多重孿晶。通過(guò)原子尺度的觀察和分析發(fā)現(xiàn)：納米孿晶的形成是輔助晶粒長(zhǎng)大的一個(gè)有效方式。這一物理過(guò)程為：疲勞加載下孿晶的形成可以逐漸改變晶粒的局部取向，并促使晶界分解為易遷移的片段(圖1)；隨著循環(huán)周次的增加，兩個(gè)晶粒通過(guò)相互的孿晶形成以及晶界的不斷分解，逐漸合并長(zhǎng)大為一個(gè)晶粒。為此，科研人員提出了一個(gè)循環(huán)加載下“孿晶輔助納米尺度金薄膜晶粒長(zhǎng)大”的全新物理機(jī)制(圖2)。
這一研究結(jié)果的意義在于：一方面，清楚地揭示了疲勞加載下孿晶輔助納米晶粒長(zhǎng)大的基本機(jī)制及這一機(jī)制下存在的晶粒取向差關(guān)系(圖3)，闡明了孿晶輔助納米晶粒的有限長(zhǎng)大能夠在一定程度上消耗循環(huán)塑性、減緩疲勞損傷形成，從而對(duì)金屬薄膜疲勞強(qiáng)度的提高具有顯著作用；另一方面，對(duì)納米尺度金屬薄膜及納米晶金屬材料的晶界設(shè)計(jì)及晶界穩(wěn)定性的利用與調(diào)控，發(fā)展高強(qiáng)度、高疲勞可靠性的結(jié)構(gòu)金屬材料具有重要的參考價(jià)值。
相關(guān)論文已于1月3日在線發(fā)表于《自然-通訊》上（Nature Communications 5:3021(2014), DOI: 10.1038/ncomms4021）。
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部“973”計(jì)劃項(xiàng)目以及沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)向項(xiàng)目的資助。
圖1 循環(huán)加載后的20 nm厚金薄膜微觀形貌觀察。a、d為帶有多重孿晶的粗化晶粒；b、c和e、f 為相應(yīng)區(qū)域的放大圖。標(biāo)尺: a、d-f為5 nm，b、c為1 nm。
圖2 孿晶輔助納米晶粒長(zhǎng)大的物理機(jī)制示意圖
圖3 適合孿晶輔助納米晶粒長(zhǎng)大的晶粒取向差關(guān)系
