晶界稳定性决定了纳米晶金属中的速率限制变形过程

《ACTA MATERIALIA》：Grain boundary stability dictates the rate-limiting deformation process in nanocrystalline metals

　　

摘要

纳米晶金属可以表现出位错介导的塑性和晶界（GB）介导的塑性，这使得识别速率控制单元过程变得困难。在此，我们通过沉积路径和合金化改变镍基和铂基薄膜的晶界结构稳定性，并通过将瞬态激活参数测量与同步原位透射电子显微镜（TEM）观察相结合来确定主导变形机制。尽管平均晶粒尺寸相当，具有不同非平衡晶界状态的薄膜分为两个可重复的力学区域。在晶粒粗化区域中，快速的应力辅助晶粒生长影响塑性流变速率，测得的激活体积较小（Ni中约为4-5b3，Pt中约为3-4b3）。在稳定晶粒区域中，塑性流变速率主要由位错活动控制，测得的激活体积较大（Ni中约为7-12b3，Pt₉₀Au₁₀中约为6-10b³）。稳定晶粒条件下测得的激活体积与晶界位错形核的原子级预测定量一致，而晶粒粗化期间测得的较小值归因于扩散辅助的晶界运动。这些结果表明，除了晶粒尺寸外，晶界结构稳定性是影响纳米晶面心立方金属中哪个局部过程控制塑性流动的关键变量。

引言

纳米晶材料的高强度主要源于小晶粒尺寸对位错活动的抑制以及由此产生的大体积晶界（GB）分数。这种抑制与GB介导的变形机制的增强激活有关，这些机制通常在大晶粒材料中不太重要 [[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。这些过程在容纳和控制热激活塑性流动中起着核心作用。塑性流动的动力学可以用激活体积 V^? 来表征，它提供了底层速率限制过程的定量指纹 [10]。随着晶粒尺寸的减小，界面密度增加，塑性流动被限制在晶界上或附近越来越局部的局部事件中 [[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。相应地，特征 V^? 可能相对于大晶粒金属减小一到两个数量级，通常伴随着增强的应变速率敏感性 [[17], [18], [19], [20], [21], [22]]。例如，Wang等人报告了电沉积纳米晶Ni（平均晶粒尺寸约为30 nm）中 V^? 显著小于大晶粒Ni，将此减小解释为从常规林格控制的位错滑移 [21,22] 向GB介导的位错过程 [20] 转变的证据。

这些测量已确定，纳米晶和超细晶金属中的 V^? 远小于其大晶粒对应物。然而，仅凭数量级论证无法可靠地区分几种产生相似低 V^? 值的候选机制，包括GB位错形核、位错介导的GB滑移和扩散辅助的GB断连过程 [3,[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。本工作通过扩展我们的基于微机电系统（MEMS）的 原位 透射电子显微镜（TEM）瞬态测试方法来应对这一局限，该方法以高精度测量物理激活体积，同时直接成像演变的微观结构 [[33], [34], [35]]。这种方法使将 V^? 与流动应力和同一材料状态下观察到的变形模式联系起来成为可能，从而为动力学与底层机制之间提供了更具辨别力的联系。此外，这里考察的晶粒尺寸与GB位错形核的原子级计算处于相同的约10 nm长度尺度，允许实验与模拟之间的直接比较，而无需依赖Conrad型模型 [21,36,37] 中用于 V^? 的晶粒尺寸标度关系。

在本工作中，我们考察了具有相似晶粒尺寸但不同非平衡晶界状态的镍基和铂基体系。沉积期间热暴露提供了一种通过促进晶界松弛和缺陷湮灭来稳定GB的途径，而合金化通过溶质偏析运动学地钉扎晶界运动 [[38], [39], [40], [41], [42]]。在这些体系中，出现了两个可重复的区域：稳定晶粒区域，其中GB迁移被抑制，测得的激活体积保持相对较大；以及晶粒粗化区域，其中显著的应力辅助晶粒生长伴随变形，测得的激活体积转变为显著较小的值。这些结果表明，GB结构稳定性，而非仅基于晶粒尺寸的普遍标准，是控制塑性流动动力学的关键变量。

章节摘要

样品制备

通过三种沉积条件制备了狗骨形状的独立纳米晶Ni样品。所有样品的名义厚度均为100 nm。第一组在基压7 × 10?? Torr下以1 ?/s的沉积速率通过电子束蒸发沉积。第二组在基压1 × 10?⁷ Torr和工作压力7.5 mTorr（Ar气体）下通过直流磁控溅射沉积，无预热基底，沉积速率为1 ?/s。第三组

初始微观结构

图2a1-e1显示了Ni、Pt和Pt??Au??薄膜初始微观结构的明场TEM图像，相应的代表性4D-STEM取向图见图2(a2-e2)。从取向图中量化的晶粒尺寸（图2a3-e3）表明所有三种Ni薄膜的平均晶粒尺寸约为10 nm：蒸发的Ni薄膜（图2a3）平均晶粒尺寸（d_avg）为9.7 nm；溅射（无预热）薄膜 d_avg = 10.1 nm；溅射（预热）薄膜

讨论

本研究揭示了纳米晶Ni和Pt中力学响应、微观结构演化和激活参数之间的清晰且系统的联系。使用了两种互补的途径来改变GB稳定性：沉积期间低能量轰击或温和热暴露，促进GB松弛和缺陷湮灭 [42]；以及Pt中Au合金化，提供化学稳定化和溶质介导的运动学钉扎 [53]。

对于Ni薄膜，三种沉积

结论

纳米晶金属处于交叉区域，其中位错活动和GB介导的适应都可以贡献于塑性流动。本结果表明，纳米晶Ni和Pt的速率限制过程不仅由晶粒尺寸决定，而且对GB网络的结构稳定性高度敏感。通过沉积路径、溅射期间温和热暴露和合金化改变晶界稳定性，识别出两个可重复的动力学区域。

CRediT作者贡献声明

Yichen Yang：撰写——原稿、调查、形式分析、数据管理。Kunqing Ding：撰写——原稿、调查、形式分析。Kyle R. Dorman：撰写——审阅与编辑、方法论。Brad L. Boyce：撰写——审阅与编辑、资源、方法论。Ting Zhu：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。Josh Kacher：撰写——审阅与编辑、监督、调查、资金获取，

Yichen Yang|Kunqing Ding|Kyle R. Dorman|Brad L. Boyce|Ting Zhu|Josh Kacher|Olivier Pierron