賓漢姆頓大學Nat. Mater.：位錯成核新機理-原子的偏析

【引言】

金屬材料的合金化是改善其機械強度、延展性、韌性、耐腐蝕性和催化性等性能的常用方法。材料局部組成發生的微小變化都會導致其性質的急劇變化：例如表面發生變化，影響其催化性和耐腐蝕性；而在晶界處，影響其斷裂強度；位錯處影響其塑性變形；想界面處影響其粘附性和完整性等。因而合金組成的變化可以通過局部的偏析現象顯著地在宏觀世界中表現出來。近日，有學者研究了銅金固溶體表面位錯成核的機理，解釋了異構材料系統中異質界面上的位錯如何成核和滑移。

【成果簡介】

近日，美國賓漢姆頓大學Guangwen Zhou (通訊作者)團隊在Nat. Mater.上發布了一篇關于合金表面位錯成核機理的文章，題為“Dislocation nucleation facilitated by atomic segregation”。 作者以銅金固溶體為例，解釋了位錯形核是由表面偏析引起的成分變化所導致。通過動態原子尺度分辨電子顯微鏡觀察和理論建模，觀察到位錯的運動，并且闡明了在升溫條件下與位錯成核、滑移、攀移和消失相關的特定原子尺度機理。

?[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者?Guangwen Zhou 的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]?

【圖片導讀】

圖1 固溶體中Au的表面偏析

(a) Cu₉₀Au₁₀在350℃下退火后的TEM圖像；

(b) (110)晶面的高角環形暗場像-掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)照片;

(c) 最頂端的原子層呈現溝槽構型；

(d) (110)晶面上Cu₃Au偏析層模型的結構模型；

(e) 模擬(110)晶面的高分辨率透射電鏡(HRTEM)照片。

圖2 原位透射電子顯微鏡觀察Cu3Au與Cu(Au)界面處的位錯

(a-b) (110)晶面的原位HRTEM圖像；

(c-f) 表面吸收過程導致Cu₃Au與Cu(Au)界面處位錯形核。

圖3 滑移和攀移位錯的HRTEM表征以及原位TEM觀察

(a) Cu₃Au與 Cu(Au)界面處出現位錯；

(b) Cu(Au)區域出現螺型位錯;

(c) 位錯核心結構的HRTEM顯微照片；

(d) 原子模型模擬HRTEM顯微照片；

(e-h) 位錯沿Cu₃Au與 Cu(Au)的界面發生滑移；

(i-l) 位錯向外界面進行攀移；

(m-p) 位錯攀移至Cu(Au)區域。

圖4 近表面位錯建模

(a) 純銅中位錯不穩定并消失；

(b) 螺型位錯沿Cu₃Au與 Cu(Au)的界面滑移，沒有穿過Cu₃Au層;

(c) 從[001]方向觀察到有序的L₁₂結構；

(d) Cu3Au表層中引入位錯后的松弛MD構型；

(e) 位錯攀移力和位錯之間距離的函數關系圖。

【小結】

這篇文章以銅金固溶體為例，研究了合金表面位錯成核的機理。研究結果表明，表面偏析引起的組分變化是驅動失配位錯形核和遷移應變/應力的因素。此外，文章闡述了如何利用合金組分的表面偏析來理解位錯的形成過程。表面偏析驅動的相變會在合適的表面或內部界面處形成薄外延層，這種機制在其他材料系統中依然可以看到。文中所描述的現象對于表面和界面性質的理解具有更深刻的含義，清楚地表明原子偏析不僅改變了固溶體表面和次表面區域中的成分，同時還改變了原子結構和應變狀態。

文獻鏈接：Dislocation nucleation facilitated by atomic segregation (Nat. Mater., 27 November, 2017 , DOI: 10.1038/nmat5034）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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