高角度晶界对微米级双晶铜塑性变形与断裂的影响机制：原位SEM实验与多尺度模拟研究

为揭示高角度晶界（HAGB）在微尺度铜双晶塑性变形中的关键作用，研究人员通过原位SEM拉伸实验、晶体塑性有限元（CPFE）与分子动力学（MD）多尺度模拟，发现HAGB不仅阻碍位错跨晶界传递，还主导滑移系激活序列并引发裂纹。该研究为优化双晶材料力学性能提供了理论依据。

　　

在金属材料领域，晶界（GB）作为相邻晶粒间的界面，其特性直接影响材料的力学性能。当晶粒间取向差超过15°时，形成的高角度晶界（HAGB）因其独特的位错交互作用机制，成为影响材料强度与塑性的关键因素。然而，传统宏观多晶试样中多晶粒协同变形现象掩盖了单一晶界的作用机制，而微米尺度下HAGB对塑性变形与断裂行为的影响尚未完全阐明。尤其当晶界与加载轴呈倾斜角度时，其位错阻碍与裂纹萌生机制更缺乏系统性研究。

针对这一科学问题，中国的研究团队通过设计含48°倾斜HAGB的狗骨状双晶铜试样，结合原位扫描电镜（SEM）拉伸实验、晶体塑性有限元（CPFE）、扩展有限元（XFEM）和分子动力学（MD）多尺度模拟方法，系统揭示了HAGB在微尺度变形中的核心作用。研究发现，HAGB不仅通过几何约束改变传统Schmid因子预测的滑移系激活顺序（首选滑移系为(—111)[0—11]），更成为位错形核的优先位点与裂纹萌生的起源。该成果发表于《Materials Science and Engineering: A》，为精准调控双晶材料性能提供了理论支撑。

关键技术方法包括：（1）采用99.999%高纯铜经1073 K真空退火制备双晶试样；（2）原位SEM拉伸实时观测变形局部化与裂纹扩展；（3）基于FCC晶体结构的CPFE模型模拟滑移系竞争；（4）XFEM耦合MAXSLP准则预测裂纹位置；（5）MD模拟直接捕捉位错-HAGB交互作用。

Material and specimens
研究选用经1073 K/24 h真空退火的超高纯铜双晶，设计含单一48°倾斜HAGB的微米级狗骨试样，通过电子背散射衍射（EBSD）确认晶粒取向为[1 1 11]与[7 2 7]，利用显著差异的Schmid因子分布凸显界面效应。

Crystal plasticity modelling
CPFE模拟显示，HAGB几何约束导致(—111)[0—11]滑移系优先激活，而非Schmid因子最高的系统。二维平面应力模型成功复现了实验中[1 1 11]晶粒的应变局域化现象。

Bicrystal experiments
原位拉伸曲线在160 nm位移处出现塑性屈服，SEM观测证实变形集中于[1 1 11]晶粒。HAGB处观察到明显滑移带塞积与应力集中，最终引发沿晶裂纹。

Conclusions
多尺度研究证实：1）HAGB通过几何约束重构滑移系激活序列；2）作为位错源显著提升局部位错密度；3）应力集中效应主导裂纹萌生位置。该发现突破了传统微柱压缩研究的局限性，为理解拉伸载荷下倾斜晶界的作用机制提供了新范式。

Yabin Yan团队强调，HAGB的"双刃剑"特性（既增强强度又诱发裂纹）对微器件可靠性设计具有重要启示。未来可通过调控晶界角度与取向差，优化材料的强塑性匹配。Fuzhen Xuan指出，MAXSLP准则与多尺度方法的结合为复杂边界条件下的失效预测建立了新框架。