導(dǎo)讀:界面分離在多組分多晶材料中無處不在,并在材料性能中起決定性作用。本文在Mg-Nd-Mn合金中,首次確認(rèn)彈性應(yīng)變最小化促進(jìn)了四種線性傾斜晶界(TGBs)中溶質(zhì)的非對(duì)稱偏析,從而生成有序的界面超結(jié)構(gòu)。這些溶質(zhì)選擇性地分離在線性TGB的取代位點(diǎn)上,這些取代位點(diǎn)由周期性失配位錯(cuò)隔開,形成了這種二維平面結(jié)構(gòu)。
經(jīng)典的McLean偏聚理論認(rèn)為溶質(zhì)/雜質(zhì)在界面上一般以單層或亞單層無序方式形成偏聚,忽略了界面原子之間的相互作用,也沒有界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。最近,金屬所楊院生團(tuán)隊(duì)與東北大學(xué)秦高梧團(tuán)隊(duì)合作,利用球差校正的HAADF-STEM技術(shù)在Mg-Nd-Mn三元體系中發(fā)現(xiàn)Nd/Mn溶質(zhì)原子在線性傾轉(zhuǎn)晶界上發(fā)生周期性的非對(duì)稱有序偏聚,形成了如圖1所示的4種新的偏聚模式。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬及Voronoi分析,發(fā)現(xiàn)這些線性非對(duì)稱/對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界上存在周期性交替分布的張應(yīng)變區(qū)與壓應(yīng)變區(qū),溶質(zhì)原子在彈性應(yīng)變最小化的驅(qū)動(dòng)下偏聚到晶界上的特定張/壓位點(diǎn),形成由特定準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元組成的二維界面超結(jié)構(gòu)。
與完全對(duì)稱的人造雙晶界面或無位錯(cuò)的孿晶界面偏聚模式不同,這些周期性非對(duì)稱偏聚的發(fā)生主要是由線性傾轉(zhuǎn)晶界兩側(cè)局部應(yīng)變不對(duì)稱造成的。研究進(jìn)一步表明,原子尺寸失配效應(yīng)以及原子之間的化學(xué)鍵合作用是形成多原子層厚度界面超結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素;此外,原子之間的相互作用還誘發(fā)了界面相變。該研究結(jié)果以“Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries” 為題發(fā)表在《Nano Letters》。
這一發(fā)現(xiàn)豐富了人們對(duì)于應(yīng)變驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)/雜質(zhì)原子在界面偏聚行為的理解。溶質(zhì)偏聚形成的周期性界面結(jié)構(gòu)可能廣泛存在于多晶材料的線性晶界中,由于線性晶界是塊體材料中最為常見的面缺陷,尤其是金屬材料熱變形過程中經(jīng)常出現(xiàn)高密度的線性晶界,調(diào)控這些晶界的溶質(zhì)原子偏聚行為將為提高金屬材料的力學(xué)性能開辟新的方向。基于該研究基礎(chǔ),楊院生團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出了低成本、低合金含量的超高強(qiáng)Mg-Nd系耐熱鎂合金,并已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。
該研究工作主要由金屬研究所高溫結(jié)構(gòu)材料研究部特別研究助理黃秋燕博士(通訊作者)、東北大學(xué)講師謝紅波博士(第一作者)、潘虎成副教授(通訊作者)等青年研究人員完成。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1.明場(chǎng)圖像(a)和HAADF-STEM圖像(b)顯示了Mg-2Nd-1Mn樣品中的多晶微觀結(jié)構(gòu),壓縮了25%,并在250°C退火1 h。這些微/納米級(jí)晶粒中的大多數(shù)具有彼此平行的<112 directions0>方向。(c–e)Mg-2Nd-1Mn合金的STEM-EDS映射結(jié)果。HAADF-STEM圖像(c)和與元素Nd(d)和Mn(e)有關(guān)的相應(yīng)EDS映射圖像。
在這里,作者直接觀察了四種類型的有序界面上層結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)由變形和退火后的Mg-Nd-Mn模型合金中的溶質(zhì)修飾。線性TGBs中有序界面上層結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)超越了經(jīng)典的界面隨機(jī)偏析,并提供了界面的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與分離到GBs上的溶質(zhì)的原子排列之間的聯(lián)系。
在HAADF–STEM成像模式下,這些晶粒之間的界面顯示出更亮的對(duì)比度,表明發(fā)生了溶質(zhì)偏析。
圖1.明場(chǎng)圖像(a)和HAADF-STEM圖像(b)顯示了Mg-2Nd-1Mn樣品中的多晶微觀結(jié)構(gòu),壓縮了25%,并在250°C退火1 h。這些微/納米級(jí)晶粒中的大多數(shù)具有彼此平行的<112 directions0>方向。(c–e)Mg-2Nd-1Mn合金的STEM-EDS映射結(jié)果。HAADF-STEM圖像(c)和與元素Nd(d)和Mn(e)有關(guān)的相應(yīng)EDS映射圖像。電子束平行于<112?0>方向。
圖2.(a)原子尺度的HAADF-STEM圖像,顯示了沿<112→0>傾斜軸觀察的線性ATGB中的溶質(zhì)分離。傾斜角度θ 1 = 51°,θ 2 = 79°(I型)。(b)相應(yīng)的經(jīng)傅立葉濾波的原始相位圖像,顯示了線性邊界中五個(gè)(0001)G1 /(101?2)G2原子層分離的MD的陣列。(c)Voronoi分析圖,顯示壓縮和延伸位點(diǎn)交替分布在純鎂線性ATGB上。(d)I型界面上層結(jié)構(gòu)的溶質(zhì)離析模型。
圖3.(a)原子尺度的HAADF-STEM圖像,顯示了沿<112→0>傾斜軸觀察的線性ATGB中的溶質(zhì)分離。傾斜anglesareθ 1 = 116°,θ 2 = 17°(II型)。(b)相應(yīng)的經(jīng)傅立葉濾波的原始相圖像,顯示了在線性邊界中由六個(gè)(0001)G1 /(101?2)G2原子層隔開的MD組成的陣列。(c)Voronoi分析圖,顯示壓縮和延伸位點(diǎn)交替分布在純鎂線性ATGB上。(d)II型界面上層結(jié)構(gòu)的溶質(zhì)離析模型
圖4.(a)原子尺度的HAADF-STEM圖像,顯示了沿<112?0>傾斜軸觀察的線性STGB中的溶質(zhì)分離。傾斜角為θ 1 = 20.5°,θ 2 = 20°(類型III)。(b)相應(yīng)的經(jīng)傅立葉濾波的原始相圖像,顯示了線性邊界中五個(gè)(11?00)G1 /(101?2)G2原子層分離的MD的陣列。(c)Voronoi分析圖,顯示壓縮和延伸位點(diǎn)交替分布在純鎂線性STGB上。(d)III型界面上部結(jié)構(gòu)的溶質(zhì)偏析模型
圖5.原子尺度的HAADF-STEM圖像,顯示了沿<112→0>傾斜軸觀察的線性STGB中的溶質(zhì)分離。傾斜角為θ 1 = 51°,θ 2 = 49°(IV型)。(b)相應(yīng)的經(jīng)傅立葉濾波的原始相位圖像,顯示了線性邊界中三個(gè)(0001)G1 /(11?00)G2原子層分離的MD的陣列。(c)Voronoi分析圖,顯示壓縮和延伸位點(diǎn)交替分布在純鎂線性STGB上。(d)IV型界面上部結(jié)構(gòu)的溶質(zhì)分離模型。
總之,通過原子尺度的HAADF-STEM觀測(cè),在變形和退火的Mg-Nd-Mn樣品中,溶質(zhì)修飾的線性TGB中發(fā)現(xiàn)了四種類型的有序界面上層結(jié)構(gòu)。每個(gè)TGB包含一組周期性間隔的位錯(cuò),并且通過應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的偏析沿著<112?0>方向選擇溶質(zhì)的替代堆積導(dǎo)致在MD核附近生成準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元。這些準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元在線性TGB中的組裝形成了這樣的2D平面結(jié)構(gòu)。Voronoi分析表明,這種不對(duì)稱偏析的發(fā)生主要是由TGB中的局部應(yīng)變不對(duì)稱引起的。因此,已經(jīng)確認(rèn)了GBs上有四種類型的新型周期性隔離模式。
本文來自材料學(xué)網(wǎng)
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