面心立方金属晶界变形原子机制的球差电镜原位动态研究

The strength, hardness, ductility and related mechanical properties of metallic materials are determined by their atomic-scale deformation mechanism. Revealing the atomic-scale deformation mechanism of nanostructured metals are crucial for providing guidance for controlling their elastic and plastic properties to achieve the desired mechanical properties. Though extensive studies have been conducted to investigate the mechanical properties of nanocrystalline (NC) metals, very limited information about the atomic-scale evolution process of grain boundary (GB) is available because dynamic atomic-scale experimental techniques are always difficult to apply. In this project, using a recently developed atomic-scale mechanical experimental technique together with Cs-corrected TEM, the atomic-scale deformation process of GB mediated plasticity can be in situ investigated at the atomic scale. We will provide the atomic-scale dynamic process of grain rotation, GB sliding, GB migration. Provide a large picture of the size effect and the atomic-scale deformation mechanisms. With this new technique, some new views of the onset of plasticity during the deformation of NC; and new regime of deformation mechanisms in metallic NC will be approached.

金属材料变形的原子机制直接决定了它们的强度、硬度、可加工性等实际应用必须的力学性能，揭示其塑性变形的原子机制可为设计高性能金属材料提供理论指导。目前，纳米晶金属中晶粒内部位错导致的塑性变形理论已经相对完善，然而由于实验样品制备和实验技术的困难，对晶界处变形机制的原子尺度动态研究目前还是空白。申请人拟将原创的“原子尺度原位力学实验平台”和“球差电镜技术”相结合，消除普通的场发射高分辨TEM拍摄晶界原子结构时的“离域”效应，实现外力作用下晶界变形行为的原子尺度原位动态观察。研究晶粒转动、晶界扩散、晶界滑移、晶界处原子相互协调变形等原子机制。为金属材料的晶界塑性变形提供一个晶粒尺寸与塑性行为一一对应的原子机制图像，为纳米晶金属材料的塑性变形提供一个完整的尺寸效应图谱。发现纳米结构金属晶界处塑性变形中的一些新现象。

实现金属材料晶界变形机制的原子层次原位研究可为材料的实际应用，以及设计高性能金属材料提供理论的指导。然而由于表征技术的困难、原子尺度原位动态研究的缺乏，导致人们对晶界变形行为的原子机制还知之甚少。本项目发展了亚埃分辨率下材料原位显微学实验平台，利用该研究平台对金属材料晶界塑性，表面/界面塑性变形过程进行了原位原子尺度研究。发现了高层错能纳米多晶金属中孪晶通过偏位错从晶界处隔层发射形核的新机制，解开了高层错能金属中孪晶形核的谜团。首次实现了孪晶结构纳米多晶变形机制的原位原子层次观察，揭示了孪晶界与普通晶界复合强化的极限，揭示了纳米孪晶金属Pt中孪晶界面产生塑性变形的新机制，阐明了孪晶金属具有大塑性变形能力的原因。观察了晶界扩散、晶界滑移，以及变形导致晶界形成、晶粒旋转等塑性变形过程，研究晶粒尺寸对各种晶界变形机制产生的影响。基于上述晶界塑性变形及相应力学行为的发现，设计出了具有高强度，大塑性变形能力的多晶Au纳米线。研究了单晶金属中表面，界面以及尺寸变形机制的影响，并建立了极小尺寸的变形机制的尺寸效应图谱。揭示出小尺寸纳米金属的塑性变形是通过位错滑移与表面扩散耦合实现的新机制，这种表面扩散会导致小尺寸金属Au，Ag，Pt纳米线表现出“类似液滴”的自发回缩现象。发现在纯金属中观察到的晶界塑性能为同样适用于AuAg，AuCu合金金属基于界面原子扩散对塑性力学行为的发现，从而设计出了具有高强度，大塑性变形能力的AuCu合金纳米线。