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研究發現鎂合金中溶質原子在晶界上非對稱有序偏聚形成二維界面超結構
 
2021-03-31 | 文章来源:高温结构材料研究部        【 】【打印】【關閉

  經典的McLean偏聚理論認爲溶質/雜質在界面上一般以單層或亞單層無序方式形成偏聚,忽略了界面原子之間的相互作用,也沒有界面結構轉變。最近,金屬所楊院生團隊與東北大學秦高梧團隊合作,利用球差校正的HAADF-STEM技術在Mg-Nd-Mn三元體系中發現Nd/Mn溶質原子在線性傾轉晶界上發生周期性的非對稱有序偏聚,形成了如圖1所示的4種新的偏聚模式。結合分子動力學模擬及Voronoi分析,發現這些線性非對稱/對稱傾轉晶界上存在周期性交替分布的張應變區與壓應變區,溶質原子在彈性應變最小化的驅動下偏聚到晶界上的特定張/壓位點,形成由特定准結構單元組成的二維界面超結構。與完全對稱的人造雙晶界面或無位錯的孿晶界面偏聚模式不同,這些周期性非對稱偏聚的發生主要是由線性傾轉晶界兩側局部應變不對稱造成的。研究進一步表明,原子尺寸失配效應以及原子之間的化學鍵合作用是形成多原子層厚度界面超結構的主導因素;此外,原子之間的相互作用還誘發了界面相變。該研究結果以“Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries” 为题发表在《Nano Letters》。

  這一發現豐富了人們對于應變驅動溶質/雜質原子在界面偏聚行爲的理解。溶質偏聚形成的周期性界面結構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爲常見的面缺陷,尤其是金屬材料熱變形過程中經常出現高密度的線性晶界,調控這些晶界的溶質原子偏聚行爲將爲提高金屬材料的力學性能開辟新的方向。基于該研究基礎,楊院生團隊已開發出了低成本、低合金含量的超高強Mg-Nd系耐熱鎂合金,並已申請國家發明專利。

  該研究工作主要由金屬研究所高溫結構材料研究部特別研究助理黃秋燕博士(通訊作者)、東北大學講師謝紅波博士(第一作者)、潘虎成副教授(通訊作者)等青年研究人員完成。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、遼甯省“興遼英才計劃”創新團隊基金和中國博士後科學基金等項目的支持。

  論文鏈接

图1 Mg-Nd-Mn合金中溶质原子在4种线性倾转晶界上的非对称有序偏聚

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