晶界遷移（grain boundary migration）是多晶和納米晶材料中的一種常見(jiàn)的塑性變形行為，深入研究其作用機(jī)制對(duì)調(diào)控材料的力學(xué)性能具有重要的理論意義。之前的研究廣泛報(bào)道了切應(yīng)力作用下的晶界遷移（shear-coupled GB migration）現(xiàn)象，逐步發(fā)展了相應(yīng)的理論模型，提出了較為普適的disconnection主導(dǎo)的晶界遷移機(jī)制，并在分子動(dòng)力學(xué)模擬中得到了證實(shí)和完善。

然而，受制于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，實(shí)時(shí)觀測(cè)應(yīng)力作用下晶界處原子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，極大地限制了人們對(duì)于材料塑性變形過(guò)程中晶界機(jī)制的系統(tǒng)研究和深入理解。因此，亟需開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)方法，為建立完整的晶界變形理論提供有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)而也為改善材料的力學(xué)性能提供了新思路。

浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張澤院士、王江偉研究員與加拿大曼尼托巴大學(xué) ChuangDeng教授、美國(guó)匹茲堡大學(xué)S.X. Mao教授等合作在Nature Communications發(fā)表了研究成果《原位原子尺度觀察臺(tái)階主導(dǎo)的晶界遷移》（In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration）。

研究人員利用先進(jìn)的原位電鏡技術(shù)及分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子尺度揭示了切應(yīng)力作用下disconnection機(jī)制主導(dǎo)的晶界遷移行為，進(jìn)一步完善和發(fā)展了學(xué)術(shù)界對(duì)于晶界變形行為的認(rèn)識(shí)，為通過(guò)晶界結(jié)構(gòu)調(diào)控改善材料的力學(xué)性能提供了新思路。

基于現(xiàn)狀，該課題組研究人員利用先進(jìn)的球差校正電子顯微鏡結(jié)合力-電耦合原位樣品桿通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展出一種獨(dú)特的原位制樣和力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，高質(zhì)量地制備出多種包含不同類型晶界的金屬納米結(jié)構(gòu)，并通過(guò)精確控制原位樣品桿的可動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的原位剪切加載，同時(shí)借助高速相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉變形過(guò)程中晶界結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。

圖1. 原子尺度觀察Σ11(113)晶界上兩種不同類型disconnection滑移導(dǎo)致的晶界遷移現(xiàn)象，并在分子動(dòng)力學(xué)模擬中得到驗(yàn)證

首先以Σ11(113)晶界為模板從原子尺度上動(dòng)態(tài)直觀地揭示了通過(guò)disconnection的表面形核、滑移和交互作用實(shí)現(xiàn)的晶界遷移機(jī)制。

圖2?Σ11(113)晶界在循環(huán)加載過(guò)程中通過(guò)disconnection機(jī)制實(shí)現(xiàn)往復(fù)遷移

緊接著在不同的大角度傾轉(zhuǎn)晶界結(jié)構(gòu)中驗(yàn)證了該遷移機(jī)制的普適性，并且發(fā)現(xiàn)其它晶界缺陷（如位錯(cuò)）對(duì)該遷移不產(chǎn)生明顯的釘扎作用；同時(shí)，還在復(fù)雜晶界結(jié)構(gòu)中揭示了disconnection的三叉晶界形核機(jī)制，完善了目前對(duì)于晶界變形行為的認(rèn)識(shí)。

圖3 Disconnection在復(fù)雜晶界結(jié)構(gòu)塑性變形中的三叉晶界形核機(jī)制

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由disconnection主導(dǎo)的晶界往復(fù)遷移可有效提高金屬納米結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載條件下的變形能力，為通過(guò)晶界結(jié)構(gòu)調(diào)控改善材料的力學(xué)性能提供了新思路。

利用類似的原位制備技術(shù)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，該課題組還在原子尺度定量揭示了<111>取向的面心立方金屬線在拉伸加載過(guò)程中由位錯(cuò)滑移主導(dǎo)的超塑性變形機(jī)制，相關(guān)成果以“Superplasticity in Gold Nanowires through the Operation of Multiple Slip Systems”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-08031-x

Zhu Q, Cao G, Wang J, et al. In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 156.