疲勞加載下納米尺度金屬薄膜晶粒長大機制研究獲新進展

　　在多晶金屬中，盡管晶界具有阻礙位錯運動、強化材料的重要作用，但當材料的晶粒尺寸減小到納米尺度時，晶界將變得不穩定。主要表現為：室溫下的各種機械加載(單向拉伸、疲勞、壓痕加載等)能夠誘發明顯的晶粒長大和晶界遷移。另一方面，由于晶粒尺寸的減小，面心立方金屬中不全位錯運動及由此而引發的孿生行為變得更加突出。關鍵的科學問題在于：納米尺度下晶粒長大/晶界遷移是否與這個尺度下的孿晶形成有關?如果有關，孿晶形成在晶粒長大過程中扮演怎樣的角色?

　　最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室材料疲勞與斷裂研究部研究員張廣平領導的課題組(包括博士生羅雪梅和副研究員朱曉飛)通過對納米尺度面心立方結構的金薄膜疲勞加載下晶粒長大原子尺度的觀察與理論分析，揭示了孿生輔助納米晶粒長大的物理機制。這項研究發現，室溫下的疲勞加載導致平均晶粒為19 nm的20 nm厚金薄膜中晶粒長大;同時，發生孿生的晶粒數目明顯增加。大多數長大的晶粒中出現了納米尺度的多重孿晶。通過原子尺度的觀察和分析發現：納米孿晶的形成是輔助晶粒長大的一個有效方式。這一物理過程為：疲勞加載下孿晶的形成可以逐漸改變晶粒的局部取向，并促使晶界分解為易遷移的片段(圖1);隨著循環周次的增加，兩個晶粒通過相互的孿晶形成以及晶界的不斷分解，逐漸合并長大為一個晶粒。為此，科研人員提出了一個循環加載下“孿晶輔助納米尺度金薄膜晶粒長大”的全新物理機制(圖2)。

　　這一研究結果的意義在于：一方面，清楚地揭示了疲勞加載下孿晶輔助納米晶粒長大的基本機制及這一機制下存在的晶粒取向差關系(圖3)，闡明了孿晶輔助納米晶粒的有限長大能夠在一定程度上消耗循環塑性、減緩疲勞損傷形成，從而對金屬薄膜疲勞強度的提高具有顯著作用;另一方面，對納米尺度金屬薄膜及納米晶金屬材料的晶界設計及晶界穩定性的利用與調控，發展高強度、高疲勞可靠性的結構金屬材料具有重要的參考價值。

　　相關論文已于2014年1月3日在線發表于《自然-通訊》上(Nature Communications 5:3021(2014), DOI: 10.1038/ncomms4021)。

　　本研究得到國家自然科學基金、科技部“973”計劃項目以及沈陽材料科學國家(聯合)實驗室導向項目的資助。

圖1 循環加載后的20 nm厚金薄膜微觀形貌觀察。a、d為帶有多重孿晶的粗化晶粒;b、c和e、f 為相應區域的放大圖。標尺: a、d-f為5 nm，b、c為1 nm。

圖2 孿晶輔助納米晶粒長大的物理機制示意圖

圖3 適合孿晶輔助納米晶粒長大的晶粒取向差關系