3篇顶刊！东大/大连理工在镁合金晶界偏聚与析出行为领域获系列进展|溶质|晶格|原子|超导材料

溶质原子在晶界上的偏聚和析出对材料的力学性能起着至关重要的作用，从原子尺度理解溶质在晶界上的偏聚与析出行为将有助于人们更好地设计高性能工程材料。近2年，大连理工大学谢红波副教授和东北大学秦高梧教授团队合作，在镁合金界面偏聚与析出行为方面取得系列研究进展，相关研究成果分别发表在International Journal of Plasticity, 2024, 174: 103910；Acta Materialia, 2024, 263: 119486；Acta Materialia, 2024, 267: 119756。该系列研究运用球差校正的透射电镜结合分子动力学模拟和第一性原理计算，从原子尺度揭示了溶质在镁合金晶界偏聚与析出行为的形成机理，并探究了其对合金力学性能的影响机制。一、揭示了溶质原子在倾转晶界中的周期性团簇偏聚行为使用球差校正的HAADF-STEM技术系统研究了Mg-Sm二元合金中溶质原子在[11-20]倾转晶界上的有序偏聚行为。研究发现了由溶质原子有序偏聚形成的八种二维界面相，如图1所示。图1Mg-Sm合金中溶质原子在8种倾转晶界种有序偏聚的HAADF-STEM图为了进一步分析这些偏聚现象形成的原因，用分子动力学模拟构建了这八种非对称倾转晶界的原子结构模型，经过Voronoi分析表明这些线性的倾转晶界都存在周期性排列的拉/压应变位点/区。大尺寸Sm原子选择性的占据界面位点中的拉/压应变位置，形成了这些周期性的二维界面相。大尺寸溶质原子在压应变位点的占据表明溶质界面偏聚并不简单地由物理体积因素主导，还应综合考虑界面原子之间的化学键合作用。此外，当界面溶质浓度超过一定阈值时还会引起界面结构的转变。通过对这些非对称倾转晶界的模型构建，进一步探究了溶质原子界面偏聚对材料剪切变形行为的影响。模拟结果表明，界面剪切的屈服强度与界面位错的形核密切相关，溶质偏聚对界面剪切性能的影响表现出多样性，有些溶质的界面偏聚可能会提前激活界面处位错的发散，使得界面的剪切屈服强降低，而有些溶质的界面偏聚可能会抑制界面处位错的激活，提高界面的剪切屈服强度。这项研究成果增进人们对溶质界面偏聚行为的理解，将为通过设计界面偏聚从而提升合金性能提供新思路。相关研究成果以“Deformation-induced structural multiplicity of tilt boundaries facilitating the formation of two-dimensional interfacial superstructures”为题发表在《International Journal of Plasticity》。https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103910二、揭示了溶质偏聚诱导界面Kagome晶格转变在我们早期的研究中（Nano Letters, 2021, 21: 9642-9650；Nano Letters, 2021, 21: 2870-2875；Journal of Materials Science & Technology, 2023, 142: 253-259），我们一直强调当界面溶质浓度超过临界阈值时将会引起界面的结构转变。然而，由于界面结构的多样性与复杂性，这些发生在晶界处原子尺度的微结构转变很难用传统的方法检测到。目前，人们对溶质偏聚引起的界面结构转变还缺乏深入的理解。图2Mg-Nd合金中溶质原子偏聚诱发界面Kagome晶格转变这项工作使用球差校正的HAADF-STEM技术在[11-20]倾转晶界上表征到一系列晶格参数异常的溶质团簇结构，分子动力学模拟再现了界面上三角形-四边形的(10-11)晶格转变为具有六角形-三角形网格的Kagome相的原子尺度过程。理论计算表明，Kagome相的形成与温度和压力密切相关，界面应变最小化驱动的溶质偏聚耦合晶格之间的相互作用导致了界面Kagome相的形成。研究结果还表明，界面Kagome相的存在可以有效钉扎晶界，并提高晶界的剪切屈服强度。这项工作不仅丰富了Kagome晶格形成的相变途径，为研究Kagome晶格的物理特性提供了新的载体，而且将为解析多晶材料中溶质/杂质偏聚引起的界面结构转变提供一种全新的方法。这项工作以“Interfacial Kagome lattice transitions induced by segregation of solute atoms”为题发表在《Acta Materialia》。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119486三、揭示了界面应变驱动晶界相形核与生长溶质原子在晶界一些缺陷位点的偏聚通常可以认为是晶界第二相析出的前驱体。一般情况下，随着时效或退火时间的延长，界面偏聚的溶质簇会逐渐向第二相析出演变，形成有别于母相晶体结构的晶界相。晶界第二相的析出在多组元多晶合金中是普遍存在的现象，它的形成对材料的性能也起着非常关键的作用，包括光学、电学、热力学、磁学、力学性能等。如在金属结构材料领域，晶界第二相的析出可以阻碍位错运动，钉扎晶界，提升合金的屈服强度；当然，晶界第二相的析出也有可能导致合金的灾难性脆断。因此，巧妙利用晶界第二相析出设计目标合金至关重要。图3Mg-RE合金中晶界相的TEM表征我们在前期研究Mg-Nd二元合金界面偏聚的基础上，通过延长退火时间，继续研究了合金界面中第二相的析出行为。图3是晶界析出相的TEM表征结果，表明[11-20]倾转晶界上形成了两种纳米粒子，即[001 ]取向的Mg3Nd相（图3e）和[001]取向的Mg3Nd/Mg13Nd3复合纳米粒子（图3f和g）。使用第一性原理计算和分子动力学模拟对这两种粒子在这个倾转晶界中的形核与生长机理进行了深入探究，研究表明[11-20]取向的双晶HCP-Mg晶格经过简单的原子短程跳跃即可转变为[001]取向的FCC-Mg3Nd和FCC-Mg13Nd3相，而在Mg3Nd和Mg13Nd3相界面应变的驱动下，Nd原子的扩散结合原子短程跳跃可使{1-100}HCP原子层向{110}FCC原子层转变，完成FCC-Mg3Nd和FCC-Mg13Nd3相的生长。这项研究不仅阐明了析出相在晶界的形核与生长机理，还发现了一种新的非基面的HCP向FCC转变的相变路径。这些发现将极大地增进人们对晶界析出相形核与生长机制的理解，为基于界面析出设计高性能合金提供了理论指导。这项工作以“Interfacial strain driven nucleation and growth of grain boundary phases”为题发表在《Acta Materialia》。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119756上述研究得到了国家重点研发计划（No. 2021YFB3701002），国家自然科学基金（No. 52101129）和中央高校基本科研业务费（No. DUT23RC(3)062）的经费支持。来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队供稿支持。