近日，上海交通大学材料科学与工程学院尖端物质结构研究中心刘攀课题组在纳米结构金属变形机理研究中取得新进展，该成果以“In situ atomic-scale observation of dislocation climb and grain boundary evolution in nanostructured metal”为题发表在高水平期刊Nature Communications上。材料科学与工程学院博士生储淑芬为论文第一作者，刘攀特别研究员、佐治亚理工学院朱廷教授和约翰斯-霍普金斯大学陈明伟教授为共同通讯作者。团队长期致力于结构功能一体化金属及其复合材料结构特性研究，该成果得到了国家自然科学基金创新研究群体项目和面上项目（52173224、51821001和52130105）、上海市科委教委等的资助。

纳米尺寸效应强烈影响金属材料中位错的产生、运动、反应和湮灭等，然而纳米结构金属中位错运动的原子机制仍然难以厘清。特别是对于位错攀移这种非保守运动，目前尚未实现原子尺度的观察，位错攀移过程中位错核的动态演化过程仍不明确。针对此难题，该研究以面心立方结构纳米多孔金作为模型体系，利用原位力学杆在球差校正透射电镜中实现了室温下晶界位错攀移的原子尺度观察。位错攀移由外加弯曲载荷驱动。由于正应力在晶界上分布不均匀，大部分位错发生正攀移并在自由表面湮灭，少数位错发生负攀移或者滑移，导致大角晶界向孪晶界的结构转变。进一步地，对晶界位错的攀移位移和速率进行了定量计算。基于很小的球差校正系数和样品厚度，对高分辨透射电镜图进行半定量分析，探索了位错攀移过程中位错核的原子尺度演变过程，提出了位错攀移的原子路径，即位错攀移是通过位错核处多余半原子面末端的两列原子柱的扩散和重构实现的。蒙特卡洛模拟证明该原子路径在能量上有利，且适用于一般对称晶界。该研究为纳米结构金属材料的室温蠕变、晶粒粗化和室温超塑性等提供了新的见解。

 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31800-8

图1.原位高分辨透射电镜图和原子模型表明室温下大角晶界上的位错攀移

图2.根据高分辨透射电镜图对位错攀移位移和速率进行定量化计算

图3.位错正攀移过程中位错核重构过程

上海交通大学材料学院