最新《Science》：出乎意料！发现多晶金属的晶界速度和曲率不相关

晶界速度，一直被认为与曲率有关，这是多晶材料在退火过程中如何变粗的一个重要关系。在此，来自美国卡耐基梅隆大学的GREGORY S. ROHRER 等研究者，用高能衍射显微镜测量了镍多晶在800°C退火前后的三维取向图，确定了大约52,000个晶界的速度和曲率。意外地在多晶镍中发现晶界速度和曲率不相关，对于多晶体，传统的关于晶界迁移的基本假设是不正确的。相关论文以题为“Grain boundary velocity and curvature are not correlated in Ni polycrystals”发表在最新Science上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3210

在多晶材料的高温加工过程中，晶界迁移是造成最终微观结构的主要原因，因此影响材料的许多宏观性能。这一过程发生在许多重要材料中。例如，晶界的内部结构影响集成电路中多晶铜的强度和电导率，以及高强度汽车钢的韧性。晶界的排列，对电介质、热电和光伏器件中使用的功能材料的性能，也有深远的影响。在地质学领域，晶界迁移模型对于理解地幔岩石的性质和从大冰原的微结构测量中获得古气候信息非常重要。

在晶内缺陷中储存的能量最小，且边界曲率是晶粒生长的最主要驱动力的情况下，假设晶界以与晶界平均曲率(κ)和晶界能量(γ)成正比的速度(v)向其曲率中心移动，因此：v = Mκγ (1)，M是一个比例常数被称为迁移率。通过双晶体晶界迁移的测量和模拟，验证了晶界速度与曲率之间的线性关系。如果接受平均晶粒生长速率作为晶粒边界速度的函数代表和反向平均晶粒尺寸作为曲率的函数代表，简单的线性关系也即描述了多晶的平均行为。尽管近70年来，(1)式中的简单表达式被广泛用于解释模拟和实验，主要是基于其在双晶体研究中的验证，但有一系列证据表明，流动性和驱动力(κγ)都不是常数；相反，两者对边界结构都很敏感。

尽管公式(1)广泛接受并应用，但多晶体中的晶界是否以与它们的曲率成比例的速度迁移，仍然是一个悬而未决的问题。多晶的晶界与双晶的晶界有一个重要的区别：它们不是能够自由移动，而是(平均)通过5条三重线与10个其他晶界相连。因此，晶界如果不同时改变连接晶界的位置和面积，就无法减少其面积，但这些变化不一定会减少总能量。这些相互依赖可能解释了，在曲率驱动力存在的情况下，一个缓慢移动边界的临界种群如何能够导致谷物增长停滞；或者为什么基于假设公式1有效性的边界迁移率测量，对晶体学上相同的边界会导致不一致的结果？

在多晶材料中，晶界速度尚未被测量的技术原因是，直到最近还没有办法测量嵌入不透明材料中的晶体的形状和体积与时间的关系。近场高能衍射显微镜(HEDM)在过去十年的发展，使以上测量成为可能。目前，HEDM和相关技术已广泛用于研究多晶退火过程中发生的变化，包括孪晶形成、粗化和晶粒长大等。

在这里，研究者介绍了一种通过测量不同时间间隔的微观组织，来确定晶界速度的简单方法。利用镍在800°C退火过程中6次成像的三维组织，测量了已知晶体学中超过5×10⁴个晶面的晶界曲率和速度。出乎意料的是，晶界速度和曲率不相关。相反，研究者发现边界速度和五个决定了晶界晶体学宏观参数之间有很强的相关性。速度对晶界的敏感性，可能是缺陷介导的晶界迁移或晶界能各向异性的结果。速度和曲率之间缺乏相关性，可能是由晶界网络施加的约束造成的，这意味着需要一个新的晶界迁移模型。

图1 晶界迁移。

图2 晶界速度作为曲率的函数。

图3 平均速度作为晶体参数的函数。

图4 Σ3和Σ7晶粒边界的选定属性。

鉴于Ni、Cu、Al和Au的边界性质是高度相关的，该观察结果也可能适用于其他具有面心立方结构的技术上重要的金属。晶界速度与平均曲率不相关的发现表明，对于多晶体，传统的关于晶界迁移的基本假设是不正确的。因此，基于这一假设的模型存在潜在的缺陷。这可能解释了在观测和模拟之间逐粒比较的少数情况下，这些模型无法预测微观结构级别的细节。该发现表明，需要一个新的晶界迁移模型来预测微观组织演化。新模型的一个必要条件是它包括了晶界晶体学，这里显示了它对晶界迁移动力学的影响。（文：水生）