金属形变动力学的定量电子显微学研究团队

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金属形变动力学的定量电子显微学研究团队发展在原子尺度直观显示物质结构与缺陷的定量、原位和三维电子显微学方法，构建金属结构材料微结构与性能之间的关系。重点研究高温合金、钛合金等材料疲劳、蠕变、冲击时的形变动力学，揭示材料中原子尺度微结构与宏观力学性能之间的关系，由此将材料微结构与性能的关系从定性描述推向定量预测，从而推动关键金属结构材料的优化设计与服役安全。

目录

研究方向

三维定量电子显微学方法的发展和研究

钛合金在循环载荷下的结构演化和疲劳性能的实验和机理研究

高温合金在使役条件下的结构演化及其对使役性能的作用机理

代表性成果

晶界作为材料中广泛存在的缺陷，它的结构和行为很大程度上决定了多晶材料的物理、化学和力学性能。虽然透射电子显微技术的发展已经将材料研究推进到亚埃尺度，但是由于晶界结构本身的复杂性以及传统透射电镜二维投影成像模式的限制，人们对实际晶体材料中的晶界结构的认知还极其有限。我们通过原子分辨率电子层析三维重构技术成功地解析了金属晶界的三维原子结构，包括大角的结构单元型晶界和小角的位错型晶界。与传统研究中普遍认为的晶界具有一维平移周期性不同，研究表明实际晶体材料中大角晶界的结构单元在三维空间不具有平移周期性。晶界原子配位数分析与曲率分布表明大角晶界的结构单元分布与晶界局部曲率有关。小角晶界的三维重构结果表明晶界位错形成了大量割阶和扭折。从三维原子尺度对割阶和扭折直接成像从实验上证实了半个多世纪前理论上提出的位错割阶和扭折模型。基于晶界原子坐标，可以同时获得晶界的晶体学信息与三维原子结构，由此能够全面解析晶界结构信息。通过电子层析三维重构技术所获得的晶界三维原子结构为后续晶界实验研究与计算模拟提供了重要参考，可以推动晶界结构与行为、晶界-位错交互作用的研究。

利用原位像差校正高分辨透射电镜、旋进电子衍射和定量应变分析，在尺寸小于10纳米的金纳米线中发现晶界结构存在显着的尺寸效应，该尺寸效应能有效地提高纳米线的力学及导电稳定性。这一研究揭示了超纳尺度金属材料中晶界结构的尺寸效应及行为。当纳米线直径大于10纳米时，取向差小于15°的晶界以位错型(DGB)形式存在，而取向差大于15°的晶界以结构单元型(SGB)存在，与块体材料相似。随着纳米线直径减小到10纳米以下，位错型与结构单元型晶界的临界取向差将大于15°并且随纳米线直径减小而增大。当纳米线直径为2纳米时，取向差为28.6°的大角晶界仍然以位错型的形式存在。原位透射电镜形变和电学测量结果表明，纳米线中位错型晶界导致的电阻增加远低于结构单元型晶界，这提高了纳米线的导电稳定性。这一原子尺度的原位定量电子显微学研究揭示了超纳尺度小尺寸金属材料中晶界结构的尺寸效应，这一效应同时提高了材料的力学及电学稳定性，因而可能为微电子互连以及纳米器件的设计提供新的思路。

通过原位透射电镜观察和定量应变分析，发现孪晶片层厚度对不同类型位错活跃程度和位错形核处局部应力集中有明显影响，位错的主导形核机制在某一临界片层厚度(18 nm)会发生转变。这一研究揭示了块体纳米片层结构(比如孪晶)材料的微观变形机制与宏观力学性能之间的关系。由于位错形核和局部应力集中有关，所以纳米孪晶铜变形的主导位错形核机制主要取决于孪晶界台阶处和孪晶界/晶界交界处的局部应力集中程度。而局部应力集中程度受孪晶片层厚度的影响，在孪晶界台阶处的局部应力集中程度随着孪晶片层厚度的减小而减小，孪晶界/晶界交界处的应力集中程度随着孪晶片层厚度的减小而显着增加。两者应力集中程度相当时对应的临界孪晶片层厚度为18nm。这一原子尺度的定量应变分析的结果与宏观力学性能测试得到的临界孪晶片层厚度(15nm) 吻合，这为预测进而优化具有纳米片层结构的金属材料的力学性能提供了新途径。