金屬形變動力學的定量電子顯微學研究團隊

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金屬形變動力學的定量電子顯微學研究團隊發展在原子尺度直觀顯示物質結構與缺陷的定量、原位和三維電子顯微學方法，構建金屬結構材料微結構與性能之間的關係。重點研究高溫合金、鈦合金等材料疲勞、蠕變、衝擊時的形變動力學，揭示材料中原子尺度微結構與宏觀力學性能之間的關係，由此將材料微結構與性能的關係從定性描述推向定量預測，從而推動關鍵金屬結構材料的優化設計與服役安全。

目錄

研究方向

三維定量電子顯微學方法的發展和研究

鈦合金在循環載荷下的結構演化和疲勞性能的實驗和機理研究

高溫合金在使役條件下的結構演化及其對使役性能的作用機理

代表性成果

晶界作為材料中廣泛存在的缺陷，它的結構和行為很大程度上決定了多晶材料的物理、化學和力學性能。雖然透射電子顯微技術的發展已經將材料研究推進到亞埃尺度，但是由於晶界結構本身的複雜性以及傳統透射電鏡二維投影成像模式的限制，人們對實際晶體材料中的晶界結構的認知還極其有限。我們通過原子分辨率電子層析三維重構技術成功地解析了金屬晶界的三維原子結構，包括大角的結構單元型晶界和小角的位錯型晶界。與傳統研究中普遍認為的晶界具有一維平移周期性不同，研究表明實際晶體材料中大角晶界的結構單元在三維空間不具有平移周期性。晶界原子配位數分析與曲率分布表明大角晶界的結構單元分布與晶界局部曲率有關。小角晶界的三維重構結果表明晶界位錯形成了大量割階和扭折。從三維原子尺度對割階和扭折直接成像從實驗上證實了半個多世紀前理論上提出的位錯割階和扭折模型。基於晶界原子坐標，可以同時獲得晶界的晶體學信息與三維原子結構，由此能夠全面解析晶界結構信息。通過電子層析三維重構技術所獲得的晶界三維原子結構為後續晶界實驗研究與計算模擬提供了重要參考，可以推動晶界結構與行為、晶界-位錯交互作用的研究。

利用原位像差校正高分辨透射電鏡、旋進電子衍射和定量應變分析，在尺寸小於10納米的金納米線中發現晶界結構存在顯着的尺寸效應，該尺寸效應能有效地提高納米線的力學及導電穩定性。這一研究揭示了超納尺度金屬材料中晶界結構的尺寸效應及行為。當納米線直徑大於10納米時，取向差小於15°的晶界以位錯型(DGB)形式存在，而取向差大於15°的晶界以結構單元型(SGB)存在，與塊體材料相似。隨着納米線直徑減小到10納米以下，位錯型與結構單元型晶界的臨界取向差將大於15°並且隨納米線直徑減小而增大。當納米線直徑為2納米時，取向差為28.6°的大角晶界仍然以位錯型的形式存在。原位透射電鏡形變和電學測量結果表明，納米線中位錯型晶界導致的電阻增加遠低於結構單元型晶界，這提高了納米線的導電穩定性。這一原子尺度的原位定量電子顯微學研究揭示了超納尺度小尺寸金屬材料中晶界結構的尺寸效應，這一效應同時提高了材料的力學及電學穩定性，因而可能為微電子互連以及納米器件的設計提供新的思路。

通過原位透射電鏡觀察和定量應變分析，發現孿晶片層厚度對不同類型位錯活躍程度和位錯形核處局部應力集中有明顯影響，位錯的主導形核機制在某一臨界片層厚度(18 nm)會發生轉變。這一研究揭示了塊體納米片層結構(比如孿晶)材料的微觀變形機制與宏觀力學性能之間的關係。由於位錯形核和局部應力集中有關，所以納米孿晶銅變形的主導位錯形核機制主要取決於孿晶界台階處和孿晶界/晶界交界處的局部應力集中程度。而局部應力集中程度受孿晶片層厚度的影響，在孿晶界台階處的局部應力集中程度隨着孿晶片層厚度的減小而減小，孿晶界/晶界交界處的應力集中程度隨着孿晶片層厚度的減小而顯着增加。兩者應力集中程度相當時對應的臨界孿晶片層厚度為18nm。這一原子尺度的定量應變分析的結果與宏觀力學性能測試得到的臨界孿晶片層厚度(15nm) 吻合，這為預測進而優化具有納米片層結構的金屬材料的力學性能提供了新途徑。