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导读
近日，乐动网页版机电工程学院潘志亮教授及其加州大学欧文分校的合作者在晶界偏析的研究中取得重要进展。晶界偏析是合金中一种常见的扩散现象，可用来改善纳米结构材料的热稳定性与力学性能。但是晶界偏析是一种非常复杂的微观现象，即使当前最先进的实验手段也无法找到杂质偏析的明确规律。潘志亮教授及其合作者通过大规模分子动力学模拟辅以先进的原子水平结构分析手段发现杂质偏析在多晶金属中存在明显的竞争行为。这种竞争加上偏析诱导的结构化相变导致多晶材料形成各种界面相共存的复杂结构。相关研究成果以“ Segregation competition and complexion coexistence within a polycrystalline grain boundary network”为题发表在SCI一区顶级期刊同时也是金属研究类顶级期刊《Acta Materialia》上。
研究报道：
不同于文献工作经常使用的只包括一种晶界的双晶模型，研究人员首先创建了各种类型晶界共存的多晶模型以更接近于真实的材料结构，如图1(a)所示，然后利用混合的大规模原子水平模拟和蒙特卡洛模拟技术模拟杂质原子在多晶材料中的扩散和偏析行为。达到平衡条件后，大部分杂质原子偏析到不同的晶界里，晶粒内部的杂质原子非常少，如图1(b)所示。
图1. 偏析前和偏析后的多晶模型
为了研究不同晶界中的杂质偏析情况，首先，研究人员利用自己开发的微观结构跟踪算法将不同的晶界准确无误的识别出来。结果如图2所示。从图上可以看出，识别出来的晶界的特征，特别是晶界两边晶粒的晶向差满足普通多晶材料中晶粒取向完全随机分布的特征。更重要的是，这些晶界特征在偏析前后没有明显的变化，说明所用到的多晶试样在偏析过程中没有发生剧烈的结构演化，保证了后续分析结果的有效性。
图2偏析前后多晶试样中的晶界及其晶向差分布
虽然看起来这些晶界里面都有很多偏析杂质，但实际上不同晶界中的杂质浓度有很大区别。图3表明，整个样品中晶界的杂质浓度，最低可以是零，即没有任何的偏析，最高可以达到20 at. %。这个结果表明在杂质偏析过程中，不同的晶界是区别对待的。有的晶界可以吸引很多的杂质原子，有的晶界几乎和晶粒一样不吸引杂质原子。换句话说，偏析过程中不同的晶界之间存在竞争。偏析能力强的晶界杂质浓度较高，而偏析能力弱的晶界杂质浓度较低。图3还表明，晶界的偏析能力与晶界的特征密切相关，具有中等大小晶向差的晶界，晶界能比较高的晶界，以及自由体积较多的晶界倾向于具有较高的偏析能力。但是从数据的分散性也可以看出，这只是一个统计意义上的规律，到底有那些因素决定晶界的偏析能力是一个非常复杂的问题，还值得进一步深入研究。
图3.晶界偏析浓度与晶界特征的关系
研究人员之前的工作表明，在温度足够高的情况下，晶界偏析可以在只含有一种晶界的双晶结构中诱导晶界发生结构化相变形成微观结构类似于金属玻璃的无定形态薄膜。这种薄膜可以大大提高晶界吸收位错的能力从而提高材料的延展性。为了研究多晶材料中是否可以形成无定形态薄膜，研究人员将模拟温度从900 K提高到1050K，并详细分析了各种类型晶界的偏析情况。结果表明，在更高的温度下，部分晶界发生了结构化相变形成了无定形态薄膜结构，如图4所示。而部分晶界没有发生结构化相变，依然保持原来较为有序的结构，最终在多晶样品中形成了各种界面相共存的复杂微观结构。
图4.晶界偏析竞争导致的有序晶界与无序晶界共存的微观结构
该研究工作由乐动网页版与加州大学欧文分校联合完成，对于利用晶界偏析工程改性设计制备高强高韧纳米结构材料具有重要的指导意义。
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