一种非传统的对称同轴晶界及其在镁铝合金中的偏聚现象

《Journal of Alloys and Compounds》：An Unconventional Symmetric Coaxial Grain Boundary and its Segregation in Mg Alloys

　　

陈辉|潘在凡|陈新健|周阳|刘毅|肖立荣|周浩

南京理工大学材料科学与工程学院纳米与异质材料中心，中国南京

摘要

晶界处的溶质偏聚已成为调控镁合金力学性能和热稳定性的关键策略。本文利用高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对镁银（Mg-Ag）合金中一种非传统的78°对称晶界进行了原子级表征。该晶界位于（404）晶界面上，由间距为2.5纳米的位错周期性阵列构成。这种位错结构产生了相干应变场，驱动了复杂的偏聚模式的形成，其特征是替代有序排列和相关的富银团簇。这些发现直接揭示了位错调控的偏聚如何影响镁合金的界面化学结构，为通过晶界工程提升合金性能提供了新的前景。

引言

晶界（GBs）是分隔具有相同结构但晶体取向不同的相邻晶粒的二维晶体缺陷。它们由狭窄的、原子无序的过渡区域组成，通常只有几层原子厚[1]，[2]。在金属结构材料中，晶界在控制关键力学性能（如强度、断裂韧性和加工硬化能力）方面起着决定性作用[3]，[4]，[5]。因此，通过控制晶界密度和晶体取向[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]以及通过溶质偏聚工程调控晶界化学[13]，[14]，[15]，[16]，[17]来有目的地优化晶界结构，为通过设计来调整材料性能提供了强有力的途径。

晶界结构已被广泛研究，以建立可靠的结构-性能关系[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]。其中，孪晶界是一类特殊的晶界，其特征是相邻晶粒之间存在镜像对称的晶体关系。这种独特的原子排列导致了特征性的衍射图案，包括从特定区轴观察到的重合反射点和明确的错位角[25]，[26]，[27]。在六方密排（HCP）镁（Mg）合金中，孪晶的形成主要受限于独立的滑移系数量，使其成为适应塑性变形的重要机制[28]，[29]，[30]，[31]，[32]。常见的孪晶类型如{101?}，{101?}和{101?}分别引入了相对于<10>区轴123.8°、86.3°和64°的特定错位角，有效改变了局部晶体取向并影响了随后的变形行为[15]，[33]，[34]，[35]，[36]。此外，变形过程中出现的更高阶孪晶（如{303?}和{303?}）突显了孪晶介导的塑性的复杂性，并表明涉及复杂的应变适应机制[37]，[38]。

除了孪晶之外，镁合金中还存在另一种特殊的晶界结构。这类晶界的结构与孪晶类似，即晶界两侧的晶粒具有相同的晶体取向。这种配置通常被称为共轴晶界（CGB）或倾斜晶界。王等人通过分子动力学模拟构建了<110>和<1100>区轴上可能的对称晶界的原子结构模型，从而从计算角度阐明了对称晶界的结构与原子排列[39]，[40]。彭等人利用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）在镁合金中识别出几种高角度CGB，并对其进行了详细的结构分析[41]。最近的实验和理论研究证实，CGB的形成主要受孪晶-孪晶相互作用的控制[41]，[42]。此外，大量研究致力于对各种界面（包括孪晶界[26]，[27]，[43]，[44]，[45]，[46]、低角度晶界[47]，[48]和高角度晶界[47]，[49]，[50]）处的溶质偏聚进行表征和结构分析。这些研究显著推进了对这些界面处溶质偏聚机制的理解。

在本研究中，我们报道了镁合金中一种非传统对称CGB的发现。通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）系统地表征了界面偏聚情况，并揭示了晶界的特征。这一发现显著扩展了目前对镁合金中晶界结构多样性和化学修饰的理解。

章节摘录

实验方法

首先将高纯度的镁（99.95%）和银（99.95%）金属放入耐电炉中，在CO₂和SF₆的保护气氛下以49:1的体积比加热至730~760°C熔化。熔融合金随后倒入预热至200°C的钢模中形成合金锭。通过线切割电火花加工将锭材切割成30毫米×40毫米×6毫米的方形块，随后进行表面研磨和热轧。每次轧制前，材料在500°C下保持10分钟。

结果与讨论

图1展示了通过低倍率TEM观察到的冷轧和退火镁银合金的变形微观结构。图1a中的明场图像显示了三个不同的晶粒。其中，晶粒2（用黄色箭头标出）呈现出明显的层状形态，其层状界面类似于孪晶界。从红色虚线圈出的区域获得了晶界的选区电子衍射（SAED）图案。

结论

总之，本研究对镁银合金中一种非传统的78°对称CGB进行了原子级表征。主要发现和潜在机制如下：

1.

该晶界位于高指数（404）晶界面上，相对于两个相邻晶粒的基面对称倾斜39°，由间距为2.5纳米的位错周期性阵列构成。这种高角度晶界的相干性主要由这种位错配置实现。

CRediT作者贡献声明

周浩：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金获取。肖立荣：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资金获取。陈新健：概念构思。潘在凡：实验研究，数据管理。刘毅：验证。周阳：正式分析。陈辉：初稿撰写，实验研究，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划[项目编号2021YFA1200201]、国家自然科学基金[项目编号52571139和52171118]、安徽高等学校科学研究项目[项目编号2025AHGXZK40089]以及同陵大学人才研究启动基金[项目编号2025tlxyrc113]的支持。