В поликристаллических материалах согласованная эволюция сети границ зерен (ГЗ) играет ключевую роль для их пластичности. Тройниковые узлы (ТУ), являющиеся линиями пересечения, соединяющими соседние границы зерен, являются неотъемлемой частью сети ГЗ и оказывают существенное влияние на изменения как самой сети, так и микроструктуры поликристаллического материала. Хотя энергетические и подвижностные характеристики ТУ, а также их склонность к зарождению и переносу дефектов и сродство к примесям широко признаны, их динамическое поведение и его взаимосвязь с пластичностью границ зерен, особенно на атомном уровне, до сих пор изучены крайне ограниченно. Традиционно считается, что ТУ деформируются в стационарном состоянии; однако эта точка зрения не позволяет полностью объяснить реальную роль ТУ в сложных процессах эволюции сети ГЗ. Ввиду сложности экспериментального анализа — включая необходимость одновременного чёткого изображения всех границ и сильную корреляцию между движением ТУ и совместной миграцией связанных с ними ГЗ — эти вызовы существенно затрудняют наше понимание динамики развития сети ГЗ, тесно связанной с движением ТУ, в реальных поликристаллах.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой вошли специалисты из Чжэцзянского университета, Городского университета Гонконга и Чунцинского университета, провела углублённое исследование с использованием in situ‑ТЕМ‑метода компании «ZEPTOOLS». Впервые ими были обнаружены различные режимы структурных преобразований Т‑соединений под действием механического напряжения, включая беспорядочное расположение атомов, образование субзерен, плотные слоистые дислокации и нанотвинты; кроме того, была предложена T/Y‑критерия, основанная на геометрической конфигурации Т‑соединений, позволяющая прогнозировать склонность к их реконструкции. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Acta Materialia под заголовком «Stress-driven triple junction reconstruction facilitates cooperative grain boundary deformation»; ссылка на оригинальную статью: https:// doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120565

В данной работе подробно исследованы процессы динамической реконфигурации тройниковых узлов (TJ) в поликристаллических материалах под действием механического напряжения и их важная роль в стимулировании совместной деформации сети границ зерен (GB). Используя передовые методы in situ‑наномеханического тестирования и наблюдений на атомном уровне, исследовательская группа выявила ряд сложных структурных преобразований, которым подвергаются тройниковые узлы в поликристаллах золота и платины при внешнем нагружении. Эти преобразования включают переходы от беспорядочного расположения атомов к образованию субзерён, плотным дислокационным слоям и нанотвинтам. Было установлено, что такая реконфигурация тройниковых узлов обычно начинается в тех узлах, для которых предсказано наличие выраженного эффекта «тягового» воздействия, и обеспечивает эффективный путь для совместного движения соседних границ зерен, что резко контрастирует с традиционным представлением о том, что тройниковые узлы деформируются в стационарном состоянии.

Данное исследование не только предоставляет новые сведения о динамическом поведении границ раздела, но и детально анализирует механизмы, приводящие к возникновению этого явления. Атомарные структурные изменения, происходящие в ходе реконструкции границ раздела — например, «перекристаллизация» за счёт высвобождения накопленного остаточного вектора Бюргерса — эффективно снимают деформационную некомпатибельность, накапливающуюся в точках пересечения границ раздела вследствие их некоординированного перемещения. Кроме того, в работе отмечается, что зона реконструкции границ раздела характеризуется значительной долей свободного объёма, что обеспечивает пространство для динамической корректировки её структуры. Экспериментальные данные показывают, что по мере увеличения деформации атомная структура в зоне реконструкции неоднократно переходит между упорядоченным и неупорядоченным состояниями, в конечном счёте формируя низкоэнергетические атомные конфигурации — такие как субзернистые области с небольшими отклонениями ориентации, плотные слоистые дислокации или твиновые нанозерна.

Далее исследовательская группа установила количественные зависимости между геометрией границы зерен (ГЗ) и степенью сложности совместного движения границ, интенсивностью эффекта тяготения ГЗ, а также склонностью к возникновению реконструкции ГЗ. Проведённые исследования показали, что реконструкция ГЗ не только способствует снятию накопленной деформационной несовместимости в исходной границе, но и существенно влияет на путь эволюции всей сети границ. Например, при формировании в результате реконструкции ГЗ двойниковой структуры происходит не только усиление совместного движения соседних границ, но и, за счёт появления новых границ, возможно кардинальное изменение динамических характеристик сети границ. Этот механизм реконструкции ГЗ, обусловленный действием напряжений, подчёркивает его ключевую роль в регулировании пластичности поликристаллических материалов и требует пересмотра представлений о функции границ в таких материалах.

В целом, данное исследование, раскрывая динамическое поведение границ раздела зерён (ГРЗ) на атомном уровне и их взаимосвязь с кинетикой границ раздела (ГР), углубляет наше понимание эволюции сложных сетей ГРЗ. Оно не только ставит под сомнение традиционные представления о деформации ГРЗ, но и предлагает новые подходы к будущим исследованиям, направленным на улучшение свойств поликристаллических материалов путём регулирования характеристик ГРЗ. Полученные результаты имеют важное значение для глубокого понимания закономерностей развития микроструктуры поликристаллических материалов и их связи с макроскопическими свойствами, а также открывают новые перспективы для разработки инновационных высокопроизводительных материалов.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование компании Zeyou Technology, использовавшееся в рамках данного исследования: