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多晶材料是由具有不同晶體取向的晶粒組成的，這些晶粒通過晶界（GBs）相互分隔。晶界在三維（3D）空間中形成了一個復雜的網絡，它們在熱機械加工過程中會不斷演變。晶界并非總是平坦的，它們通常展現出非均勻的曲率，并且三重結點（三個晶界相交的地方）常常處于非平衡狀態(tài)。盡管晶界網絡的動態(tài)變化本質上是三維的，但在三維空間中對微觀結構演變的觀察卻很少，且通常分辨率較低。

晶粒的晶體特性使得晶界結構及其運動對相鄰晶粒的晶體取向非常敏感，即雙晶晶體學。因此三維多晶微觀結構的演變對特定晶界處相遇的晶粒、微結構內晶界之間的結點以及驅動微觀結構演變的力（例如毛細作用和機械應力）非常敏感。這種復雜性限制了我們對三維微觀結構演變的預測和理解能力，尤其是在原子尺度上，晶界動態(tài)是決定性的。

針對上述的問題，由浙江大學、香港城市大學、新加坡南洋理工大學、香港大學等組成的研究團隊，利用澤攸科技TEM原位進行了深入研究。這項研究結合了原子分辨率的原位納米力學測試與原子模擬，揭示了晶界在三維空間中的動力學機制，特別是晶界通過一系列的彎曲分離活動進行調整的過程。相關成果以“Revealing grain boundary kinetics in three-dimensional space”發(fā)表在《Acta Materialia》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119717

論文的主要研究內容集中在揭示多晶和納米晶材料中晶界（GBs）動力學的三維空間行為，特別是晶界在熱機械刺激下的動態(tài)演變。研究團隊通過原子分辨率的原位納米力學測試和原子模擬，發(fā)現晶界并非是靜態(tài)的平面結構，而是可以通過一系列復雜的原子級過程在三維空間中動態(tài)調整其曲率。

圖 晶界動態(tài)調整的原位觀測

研究的核心是斷開機制（disconnection-based mechanism），這是一種基于晶界上的特殊線缺陷（即斷開）的運動來描述晶界遷移和形貌變化的方法。在加載過程中，晶界通過連續(xù)的斷開形核、傳播和湮滅來逐漸調整其三維曲率，這些斷開具有不同的各向異性遷移率，導致晶界在三維空間中動態(tài)彎曲。這種由彎曲斷開介導的晶界彎曲和遷移可以在多個晶界之間協調進行，從而促進晶界網絡中的三維晶粒生長或湮滅。

圖 基于分離的三維晶界彎曲的動力學過程

研究團隊還探討了這種三維晶界動力學如何與多晶材料中的塑性變形和微觀結構演變相聯系。他們通過實驗觀察和分子動力學模擬，展示了晶界如何在三維空間中通過彎曲斷開來響應加載，以及這些過程如何協調多個晶界的運動，導致晶粒的湮滅。這些發(fā)現不僅為理解晶界在金屬材料塑性變形中的作用提供了新的視角，而且對于設計和優(yōu)化具有優(yōu)異性能的材料具有潛在的重要應用價值。

圖 納米多晶樣品中階錯環(huán)介導的三維晶界曲面調整誘導晶粒收縮/湮滅