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在多晶材料中，晶界（GB）網(wǎng)絡的協(xié)調演變對其塑性至關重要。三叉結（TJs），作為連接相鄰晶界的交匯線，是GB網(wǎng)絡不可或缺的部分，并且對整個GB網(wǎng)絡及多晶材料微觀結構的變化具有重要意義。盡管TJs的能量和遷移率特性以及它們在缺陷成核/轉移中的傾向和雜質親和力已經(jīng)被廣泛認可，但其動態(tài)行為及其與GB塑性的耦合，尤其是在原子尺度上的研究仍然非常有限。傳統(tǒng)上認為TJs在穩(wěn)態(tài)下發(fā)生變形，然而這種觀點未能充分解釋復雜GB網(wǎng)絡演化過程中TJs的實際作用。由于實驗分析的復雜性，包括需要同時清晰地成像所有邊界，以及TJ運動與相連GB協(xié)同遷移之間的強相關性，這些挑戰(zhàn)極大地阻礙了我們對實際多晶體中與TJ運動密切相關的GB網(wǎng)絡動力學演化的理解。

針對上述問題，由浙江大學、香港城市大學和重慶大學等組成的研究團隊利用了澤攸科技的原位TEM進行了深入研究，他們觀測到TJs在應力驅動下的多種結構轉變模式，包括無序原子排列、亞晶形成、密集堆垛層錯和納米孿晶等，并提出了基于TJs幾何構型的T/Y準則，用于預測TJs重構的傾向性，相關成果以“Stress-driven triple junction reconstruction facilitates cooperative grain boundary deformation”為題發(fā)表在《Acta Materialia》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120565

論文深入探討了多晶材料中三叉結（TJs）在應力驅動下的動態(tài)重構過程及其對促進晶界（GBs）網(wǎng)絡協(xié)同變形的重要作用。研究團隊利用先進的原位納米力學測試技術，通過原子尺度的觀察，揭示了金和鉑多晶體中的TJ在外部加載條件下經(jīng)歷的一系列復雜結構轉變。這些轉變包括從無序原子排列到亞晶粒形成、密集層錯以及納米孿晶等不同模式。研究發(fā)現(xiàn)，這種TJ重構通常起始于那些預測具有強拖曳效應的TJ處，并為相鄰GB的協(xié)同運動提供了一條有效的路徑，與傳統(tǒng)認為TJ在穩(wěn)態(tài)下變形的觀點形成了鮮明對比。

圖 多晶網(wǎng)絡中三叉晶界的結構轉變示意圖

圖 三叉晶界動態(tài)重構的原位觀測。a-d. 晶界網(wǎng)絡中非守恒階錯流量介導的三叉晶界重構；e-h. 三叉晶界重構區(qū)域的長大

該研究不僅提供了關于TJ動態(tài)行為的新見解，還詳細分析了導致這種現(xiàn)象發(fā)生的機制。TJ重構過程中涉及的原子級結構變化，如通過釋放累積的殘余Burgers矢量實現(xiàn)“再結晶”，能夠有效緩解由于GB遷移不協(xié)調而在TJ處積累的變形不兼容性。此外，研究還指出，TJ重構區(qū)擁有較大的自由體積分數(shù)，這為其結構的動態(tài)調整提供了空間。實驗結果表明，隨著應變的增加，TJ重構區(qū)內的原子結構會在有序與無序狀態(tài)之間頻繁轉換，可能形成低能態(tài)的原子配置，如包含輕微取向偏差的亞晶粒、密集層錯或孿晶納米晶粒等。

圖 三叉晶界的原子尺度重構機制。a-f. 幾何相位分析（GPA）揭示變形過程中三叉結附近的應變狀態(tài)；g. 重構區(qū)域形核和長大的機理圖

圖 三叉晶界重構區(qū)域的動態(tài)結構演化及其對晶界網(wǎng)絡演變的影響。a-c.原子排布的逐漸有序化；c-e.納米孿晶持續(xù)生長并通過新形成的三叉結的協(xié)同遷移來促進晶界網(wǎng)絡的動態(tài)演變；f.三叉結處的應變集中得到緩解

進一步地，研究團隊建立了TJ幾何形狀與協(xié)同GB運動難度、TJ拖曳效應程度及傾向發(fā)生TJ重構之間的定量關系。研究表明，TJ重構不僅有助于釋放初始TJ處累積的變形不兼容性，還能顯著影響整個GB網(wǎng)絡的演化路徑。例如，當TJ重構形成孿晶結構時，不僅可以促進原有鄰近GB的協(xié)同運動，還可能通過引入新的TJs改變GB網(wǎng)絡的動力學特性。這種由應力驅動的TJ重構機制強調了其在調節(jié)多晶材料塑性中的關鍵作用，并呼吁重新審視TJs在多晶材料中的角色。

圖 三叉晶界重構與其幾何構型轉變的關聯(lián)。a-d.階錯介導的三叉晶界幾何構型轉變，導致晶界三叉結短暫遷移后發(fā)生停滯；e-h.三叉晶界的分解、重構和長大

總的來說，這項研究通過對TJ在原子尺度上的動態(tài)行為及其與GB動力學耦合的探索，豐富了我們對于復雜GB網(wǎng)絡演化的理解。它不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的TJ變形理論，也為未來研究如何通過調控TJ特性來改善多晶材料性能提供了新思路。研究結果對于深入理解多晶材料微觀結構演變規(guī)律及其宏觀性能之間的關系具有重要意義，同時也為開發(fā)新型高性能材料開辟了新的途徑。