金属，在辐照环境下会发生微观结构的演化和降解，但这种演化的纳米尺度机制仍不清楚。在此，来自美国桑迪亚国家实验室的研究者，结合原位重离子辐照、原子分辨显微镜、原子模拟来阐明辐射损伤和界面缺陷如何相互作用，控制晶界(GB)运动。相关论文以题为“Irradiation-induced grain boundary facet motion: In situ observations and atomic-scale mechanisms”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0900

建立支撑辐射环境中微结构老化的机制，是材料研究的一个基本挑战。了解这些机制，特别是辐照诱导的位移损伤和界面动力学之间的相互作用是很重要的，因为它可以为预测或提高材料的辐射耐受性提供策略。许多研究表明，当界面间距在几纳米内时，界面具有作为缺陷汇和减轻辐射损伤的能力。通过缺陷密度和缺陷尺寸的测量，一系列纳米晶金属与粗晶材料相比在辐射耐受性方面表现出了改善。这种界面介导机制的有效性与晶界特征、缺陷团簇的具体类型以及辐照种类、辐射通量和污染水平等因素密切相关。温度也起着重要的作用。例如，与大颗粒材料相比，纳米晶金在极低温度(15 K)下受到快速离子辐照时，缺陷累积率增加，但在室温辐照时，缺陷累积率降低。

       辐照也可以加速晶粒粗化的速度。与热粗化一样，辐照增强粗化通常被认为是一个曲率驱动的过程，晶粒在毛细力的作用下演化，以降低它们的总界面自由能。辐照被认为可以增加界面的流动性，使GB运动在全球温度下发生，远低于粗化的热起始温度。通过解释碰撞级联或相关的离子引起的热事件如何增加跨界面的原子跃迁率，模拟了移动性的增强。

      尽管晶粒粗化及其与辐照增强迁移率之间的关系已为人们所熟知，但这些过程是如何在原子尺度上与边界的局部原子结构相协调的尚不清楚。一个关键的问题是，辐照是如何与扩展的界面缺陷耦合的。对于热激活下的边界运动，越来越多的人认识到这种GB线缺陷的控制性质，为此有人提出必须将传统晶粒长大理论视为一个过于简单的模型，不能解释真实材料是结晶的事实，而结晶度对GB的移动施加了约束。近期多晶镍热演化实验表明，简单连续体、基于曲率的思想在预测GB速度方面存在不足。这些观察，进一步强调了理解界面取向错误和倾斜空间的各向异性的重要性，以及与这种取向能各向异性相关的线缺陷(如断开和晶面连接)的作用。这样的考虑，对于理解辐照环境中GB的演变也是至关重要的。

      在此，研究者结合原位重离子辐照、原子分辨显微镜和原子模拟来阐明辐射损伤和界面缺陷如何相互作用，来控制晶界(GB)运动。虽然辐照下边界演化的经典概念，基于曲率驱动运动的简单思想，但现实远比这复杂得多。聚焦于离子辐照的Pt Σ3 GB，研究者展示了该边界如何通过分离纳米级{112}晶面的120°晶面连接的运动演变。研究者的分析考虑了短距和中距离子相互作用(使切面粗糙并诱发局部运动)和长距离子相互作用(与界面断开有关，从而适应晶间取向错误)。研究者说明了这些断开的爬升如何驱动关节面连接的协调运动。这些发现强调了，局部和长期的集体相互作用，对理解辐照诱导的界面演化是重要的。

图１ 所分析的GB及其周围环境。

图2 Σ3 GB在原位TEM离子辐照过程中的演化。

图3 离子辐照前后的晶面连接位置与辐照前测得的界面断开量有关。

图4 辐照前后沿边界测量的小面长度分布。

图5 由离子相互作用控制的局部机制的划分。

图6 不同类型的离子-GB相互作用导致的GB厚度的演变。

图7 GB 晶面的演化是通过多个机制在多个长度尺度上的耦合发生的。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。