揭示孪晶辅助纳米晶粒生长机制

来源：中国科学报 发布时间：2014-01-13

    中国科学报讯（记者周峰）近日，中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室研究员张广平带领团队，通过对纳米尺度金属薄膜疲劳加载下晶粒长大行为的原子尺度研究，揭示了“孪生辅助纳米晶粒长大”的全新物理机制，相关论文在线发表于《自然—通讯》上。
 
    尽管金属中的晶界具有阻碍位错运动、强化材料的重要作用，但当材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度时，晶界变得不稳定。那么，纳米尺度下晶粒长大/晶界迁移是否与该尺度下的孪晶形成有关，孪晶形成在晶粒长大过程中扮演怎样的角色，这些重要的科学问题尚未澄清。
 
    张广平等人发现，室温下的疲劳加载导致平均晶粒尺寸为19纳米到20纳米厚金薄膜中晶粒明显长大，且发生孪生的晶粒数目显著增加，大多数长大的晶粒中出现了纳米尺度多重孪晶。理论分析表明，疲劳加载下的孪晶形成可以逐渐改变纳米晶粒的局部取向，促使晶界分解为若干易迁移片段；随着疲劳周次的累积，两晶粒可通过相互纳米孪晶的形成以及晶界的不断分解，逐渐合并长大为一个晶粒。
 
    该发现不仅清楚地揭示了孪晶形成是辅助疲劳加载下纳米晶粒长大的一个有效方式，且阐明了该机制下纳米晶粒的有限长大能够消耗循环塑性、减缓因晶粒长大引起的应变局部化疲劳损伤形成，从而起到显著提高超高强度金属薄膜疲劳抗力的作用。这对于纳米尺度金属薄膜及纳米结构金属材料的晶界设计和界面稳定性的利用与调控，高强与高疲劳可靠性结构金属材料的发展具有重要意义。

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