Тройные соединения границ зерен (Triple Junctions, TJs), будучи ключевыми структурными элементами в поликристаллических материалах, соединяющими соседние границы зерен, под воздействием термомеханических нагрузок определяют коллективную эволюцию всей сети границ зерен. Благодаря своим уникальным физическим свойствам TJs оказывают глубокое влияние на динамические процессы в поликристаллических материалах. В частности, в ходе пластической деформации, роста зерен и рекристаллизации TJs посредством топологических преобразований координируют динамическую перестройку сети границ зерен; их «тяговое» воздействие существенно ограничивает движение соседних границ зерен, что делает их центральными игроками в межмасштабной эволюции микроструктуры. Несмотря на достаточно развитые исследования динамики границ зерен, сложная геометрия TJs и ограничения экспериментальных методов на атомном уровне пока не позволяют полностью раскрыть механизмы их динамики.

В современном понимании динамики границ зерен (ГЗ) существуют значительные пробелы. Традиционные исследования в основном сосредоточены на стационарных процессах миграции симметричных ГЗ при условиях отжига, тогда как в реальных поликристаллических материалах ГЗ часто обладают асимметричной или несоосной структурой; их динамическое поведение связано со значительными трансформациями внутренней структуры, которые трудно объяснить едиными теоретическими подходами. Хотя предложены модели, основанные на дислокациях или дефектах несоответствия, они игнорируют роль динамических изменений избыточного объёма ГЗ, регулирующих протекание динамических процессов, что не позволяет всесторонне описать, как ГЗ во время пластической деформации координирует эволюцию сети границ зерен. Кроме того, механизмы взаимодействия ГЗ с дефектами соседних границ и их влияние на пластичность поликристаллических материалов остаются недостаточно ясными; отсутствуют прямые экспериментальные данные на атомном уровне. Эти пробелы в знаниях серьёзно ограничивают потенциал оптимизации свойств материалов посредством инженерии ГЗ и границ зерен.

В отношении вышеупомянутой проблемы динамики тройниковых границ зерен (TJ) исследовательские коллективы, включая команду Зheyou Technology, провели систематическое исследование с использованием in situ‑ТЕМ. С помощью метода нанофабрикации и наномеханических испытаний в режиме in situ им впервые удалось непосредственно наблюдать атомный механизм кинетики тройных стыков (TJ) в поликристаллических материалах Au и Pt, а также предложить единый теоретический подход, основанный на динамике дислокаций несоответствия. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале SSRN под заголовком «Кинетика тройных стыков: единый атомный механизм и согласованная эволюция сети границ зерен».

Настоящее исследование, опираясь на передовые методы нанообработки и наномеханических испытаний в режиме in situ, а также на наблюдения с помощью ТЭМ, системно раскрывает динамические механизмы трансграничных соединений (TJ) в поликристаллических материалах из золота и платины и их роль в регулировании совместной эволюции сети границ зерен (GB). Экспериментально удалось непосредственно зафиксировать динамическое поведение TJ под действием напряжений; установлено, что процесс их эволюции в основном определяется активностью дислокаций несоответствия, расположенных на соседних границах зерен. Эти дислокации взаимодействуют друг с другом вблизи TJ либо по консервативному, либо по неконсервативному механизму, что приводит к миграции TJ, изменению их формы или перестройке ядра. В работе впервые чётко выделены два основных режима динамики TJ: консервативный режим предполагает строгое сохранение вектора Бёрджера и высоты ступени соответствующих дислокаций несоответствия; в неконсервативном режиме, вследствие нарушения условий сохранения, происходит существенная перестройка структуры ядра TJ, сопровождающаяся перераспределением избыточного объёма.

Дальнейшие исследования показали, что динамическое поведение границ соединения (TJ) сильно зависит от эффективности переноса дислокаций несоответствия между соседними границами зернистости. Когда дислокации несоответствия способны согласованно перемещаться через границы зернистости, TJ проявляет консервативный механизм миграции; в противном случае, при затруднённом переносе, эти дислокации накапливаются у границы соединения и вызывают локальную концентрацию деформации, что, в свою очередь, активирует неконсервативный режим. Например, TJ, образованные низкосуммарными границами зернистости (например, Σ3), вследствие низкой скорости реакции дислокаций несоответствия склонны к консервативной миграции, тогда как TJ, состоящие из некоаксиальных границ зернистости, часто подвергаются самореконструкции из‑за несовпадения направления вектора Бёрджеса (например, при пересечении наклонной границы [110] с гибридной границей [001]/[110]). Такая реконструктивная активность, сопровождающаяся периодическим формированием и разрушением беспорядочных атомных областей, позволяет снять напряжение и существенно повышает деформационную совместимость границ соединения.

В исследовании также была разработана единая рамочная модель динамики границ зерен, включающая взаимосвязь пластичности на границах зерен, внутризёрненной пластичности и избыточного объёма границ зерен. За счёт расширения условия сохранения вектора Бюргера — с введением функции избыточного объёма f(V) — удалось количественно описать механизмы переходов между различными режимами. Например, расширение избыточного объёма границы зерна снижает энергетический барьер нуклеации дислокаций несоответствия, способствуя эмиссии дефектов; тогда как его сжатие может приводить к повороту границы зерна или к нуклеации новых зёрен. Эта рамочная модель раскрывает двойственную роль границ зерен в координации пластичности поликристаллических материалов: консервативный режим регулирует топологию сети границ зерен за счёт эффекта «тяготения», тогда как неконсервативный режим перестраивает структуру сети за счёт образования новых границ зерен.

В заключительной части исследования были рассмотрены выводы, которые динамика границ зерен (TJ) даёт для макроскопических свойств поликристаллических материалов. Чередующееся переключение между консервативными и неконсервативными режимами — например, переходы типа Y‑T → самореконструкция → зародышевое образование новых зёрен — существенно повышает деформационную податливость и устойчивую пластичность сети границ зерен. Так, самореконструкция TJ не только смягчает локальную концентрацию деформации, но и обеспечивает наличие центров нуклеации для образования твинов или рекристаллизации. Эти результаты предоставляют атомарно‑масштабные теоретические основания для оптимизации свойств материалов посредством инженерии границ зерен и тройных соединений, а также закладывают экспериментальную базу для формирования конститутивных соотношений TJ в многомасштабных моделях.

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‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в данном исследовании: