在多晶材料中，晶界（GB）網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)演變對其塑性至關(guān)重要。三叉結(jié)（TJs），作為連接相鄰晶界的交匯線，是GB網(wǎng)絡(luò)不可或缺的部分，并且對整個GB網(wǎng)絡(luò)及多晶材料微觀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移中的傾向和雜質(zhì)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(fù)雜GB網(wǎng)絡(luò)演化過程中TJs的實際作用。由于實驗分析的復(fù)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(guān)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(guān)的GB網(wǎng)絡(luò)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(yīng)力驅(qū)動下的多種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(gòu)型的T/Y準則，用于預(yù)測TJs重構(gòu)的傾向性，相關(guān)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(jié)（TJs）在應(yīng)力驅(qū)動下的動態(tài)重構(gòu)過程及其對促進晶界（GBs）網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)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(gòu)通常起始于那些預(yù)測具有強拖曳效應(yīng)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(luò)中三叉晶界的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖

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

該研究不僅提供了關(guān)于TJ動態(tài)行為的新見解，還詳細分析了導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的機制。TJ重構(gòu)過程中涉及的原子級結(jié)構(gòu)變化，如通過釋放累積的殘余Burgers矢量實現(xiàn)“再結(jié)晶”，能夠有效緩解由于GB遷移不協(xié)調(diào)而在TJ處積累的變形不兼容性。此外，研究還指出，TJ重構(gòu)區(qū)擁有較大的自由體積分數(shù)，這為其結(jié)構(gòu)的動態(tài)調(diào)整提供了空間。實驗結(jié)果表明，隨著應(yīng)變的增加，TJ重構(gòu)區(qū)內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)會在有序與無序狀態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)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?qū)\晶納米晶粒等。

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

圖 三叉晶界重構(gòu)區(qū)域的動態(tài)結(jié)構(gòu)演化及其對晶界網(wǎng)絡(luò)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(jié)的協(xié)同遷移來促進晶界網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)演變；f.三叉結(jié)處的應(yīng)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(yīng)程度及傾向發(fā)生TJ重構(gòu)之間的定量關(guān)系。研究表明，TJ重構(gòu)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(luò)的演化路徑。例如，當TJ重構(gòu)形成孿晶結(jié)構(gòu)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(luò)的動力學特性。這種由應(yīng)力驅(qū)動的TJ重構(gòu)機制強調(diào)了其在調(diào)節(jié)多晶材料塑性中的關(guān)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(gòu)與其幾何構(gòu)型轉(zhuǎn)變的關(guān)聯(lián)。a-d.階錯介導(dǎo)的三叉晶界幾何構(gòu)型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致晶界三叉結(jié)短暫遷移后發(fā)生停滯；e-h.三叉晶界的分解、重構(gòu)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(fù)雜GB網(wǎng)絡(luò)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(diào)控TJ特性來改善多晶材料性能提供了新思路。研究結(jié)果對于深入理解多晶材料微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及其宏觀性能之間的關(guān)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。