經(jīng)典的McLean偏聚理論認(rèn)為溶質(zhì)/雜質(zhì)在界面上一般以單層或亞單層無(wú)序方式形成偏聚，忽略了界面原子之間的相互作用，也沒(méi)有界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。最近，金屬所楊院生團(tuán)隊(duì)與東北大學(xué)秦高梧團(tuán)隊(duì)合作，利用球差校正的HAADF-STEM技術(shù)在Mg-Nd-Mn三元體系中發(fā)現(xiàn)Nd/Mn溶質(zhì)原子在線性傾轉(zhuǎn)晶界上發(fā)生周期性的非對(duì)稱有序偏聚，形成了如圖1所示的4種新的偏聚模式。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬及Voronoi分析，發(fā)現(xiàn)這些線性非對(duì)稱/對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界上存在周期性交替分布的張應(yīng)變區(qū)與壓應(yīng)變區(qū)，溶質(zhì)原子在彈性應(yīng)變最小化的驅(qū)動(dòng)下偏聚到晶界上的特定張/壓位點(diǎn)，形成由特定準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元組成的二維界面超結(jié)構(gòu)。與完全對(duì)稱的人造雙晶界面或無(wú)位錯(cuò)的孿晶界面偏聚模式不同，這些周期性非對(duì)稱偏聚的發(fā)生主要是由線性傾轉(zhuǎn)晶界兩側(cè)局部應(yīng)變不對(duì)稱造成的。研究進(jìn)一步表明，原子尺寸失配效應(yīng)以及原子之間的化學(xué)鍵合作用是形成多原子層厚度界面超結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素；此外，原子之間的相互作用還誘發(fā)了界面相變。該研究結(jié)果以“Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries” 為題發(fā)表在《Nano Letters》。
這一發(fā)現(xiàn)豐富了人們對(duì)于應(yīng)變驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)/雜質(zhì)原子在界面偏聚行為的理解。溶質(zhì)偏聚形成的周期性界面結(jié)構(gòu)可能廣泛存在于多晶材料的線性晶界中，由于線性晶界是塊體材料中最為常見(jiàn)的面缺陷，尤其是金屬材料熱變形過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)高密度的線性晶界，調(diào)控這些晶界的溶質(zhì)原子偏聚行為將為提高金屬材料的力學(xué)性能開(kāi)辟新的方向?；谠撗芯炕A(chǔ)，楊院生團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)出了低成本、低合金含量的超高強(qiáng)Mg-Nd系耐熱鎂合金，并已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。
該研究工作主要由金屬研究所高溫結(jié)構(gòu)材料研究部特別研究助理黃秋燕博士（通訊作者）、東北大學(xué)講師謝紅波博士（第一作者）、潘虎成副教授（通訊作者）等青年研究人員完成。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1 Mg-Nd-Mn合金中溶質(zhì)原子在4種線性傾轉(zhuǎn)晶界上的非對(duì)稱有序偏聚
