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导读：多晶材料中，近邻晶界通过三叉晶界连接构成复杂的晶界网络。本文揭示了一种全新的晶界网络动态重构机制，三叉晶界在塑性变形中可通过分解、重构和长大来有效协调近邻晶界的变形，动态调整着晶界网络的构型和协调变形能力。该重构机制突破了稳态三叉晶界动力学模型的经典框架，为理解晶界网络的复杂动力学行为提供了新见解。
多晶材料的塑性变形与晶界网络的协调演化密切相关。三叉晶界作为晶界网络中必要的结构组元，是发生高温蠕变、裂纹萌生、元素偏聚、再结晶和电化学腐蚀等的重要位点，亦是实现晶界网络协调变形、控制晶粒长大或湮灭的关键因素。受技术条件限制，相较于单一晶界的塑性变形，三叉晶界的变形动力学及其对晶界网络的影响规律仍然缺失，晶界-三叉晶界之间的耦合作用机制仍不清楚。
针对这一难题，浙江大学张泽院士团队王江伟研究员课题组利用原位原子级纳米力学测试技术，深入研究了面心立方金属多晶网络中三叉晶界的演化机制，并揭示了一种全新的三叉晶界动态重构机制，从而突破了经典稳态三叉晶界的动力学模型。平衡态下，三叉晶界处应保持运动位移守恒和伯氏矢量守恒条件（图1b-1c）；塑性变形过程中，近邻晶界的运动（或附近的缺陷-晶界交互作用）必然改变三叉晶界附近的守恒条件（图1c-1d）。理论上，三叉结平衡态的破坏势必诱发其构型演化，通过动态结构调整来达到新的平衡（图1d）。本文利用原位纳米力学实验，从原子尺度上揭示了多晶材料中非保守阶错流量介导的多样化三叉晶界重构行为，从而充分验证了上述理论预期。该重构机制有助于缓解相邻晶界的变形不兼容性并促进近邻晶界的协同变形，对于提升晶界网络整体的可持续变形能力具有重要意义。相关成果以“Stress-driven triple junction reconstruction facilitates cooperative grain boundary deformation”为题发表在金属材料顶刊Acta Materialia上。浙江大学陈映彬博士为论文第一作者，王江伟研究员为论文通讯作者，张泽院士等对本工作提出了宝贵指导意见。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120565
研究人员首先利用原位制备的金属金（Au）纳米多晶结构，研究了由<110>非对称倾转晶界构成的三叉晶界的变形行为（图2）。在应力加载过程中，近邻晶界上滑移的阶错不断在三叉结处累积，导致三叉晶界核心处重构区域（蓝绿色区域所示）的形核和长大，这一过程显著提升了附近晶界的运动能力。
利用几何相位分析（GPA），本文深入分析了图2中三叉晶界附近的应变分布演化（图3）。结果表明，三叉结重构后，其附近的应变分布由初始的应变集中状态（图3a-3b）转变为重构区域内相对均匀的应变分布状态（图3c），并在重构区域三个顶角附近重新形成新的应变集中来协调局部变形（图3d-3e）。分析表明，三叉结重构和应变演化与晶界-三叉结间的阶错（向错）动力学行为密切相关，并且此过程中三叉结的本征自由体积与晶界间自由体积的传输和演化发挥了关键作用（图3g）。
大量实验表明，三叉晶界可通过局部原子排布无序化（图4a）、亚晶粒（图4b）、高密度层错（图4c）和纳米孪晶（图4d）等多样化的形式发生重构。这些重构模式既可独立存在，又可在后续的变形过程中相互转变。从能量角度，较为常见的重构路径为：局部原子排布无序化→高密度层错→纳米孪晶形核（图5a-5c）。纳米孪晶一旦形成，可持续生长并通过新形成的三叉结的协同迁移（即图5c中的TJ1、TJ2和TJ3）来促进晶界网络的动态演变（图5d-5e）。
图4. 三叉晶界的多样化重构模式。
本文还深入阐明了三叉晶界重构行为与其几何构型和运动能力转变的重要关联。例如，当三叉晶界形貌由Y型转变为T型之后（阶错介导晶界面转变），三叉结的运动能力大幅降低，进而促进了三叉结的重构（图6）。图7a定量化地展现了这一几何构型转变过程。基于大量实验结果和文献总结，本文提出了基于三叉晶界几何构型（晶界二面角θ）的三叉结运动能力（拖拽效应，由Λ因子描述）和重构行为预测准则（图7b-7c）。当Λ>1时，三叉结易于迁移，而当Λ<1时，三叉结则更易于停滞并可能发生孪生行为。这一准则在多种金属的不同晶界中得到验证。
图7. 三叉晶界重构的几何预测准则。a. Y和T型三叉晶界几何构型的相互转变；
综上，本文突破稳态三叉晶界动力学模型的框架，揭示了多晶网络动态重构的新机制，从原子尺度系统阐明了应力作用下非保守阶错流量介导的三叉晶界分解、重构和长大的多样化行为，建立了三叉晶界几何构型与晶界网络动态重构的关联性。该机制可有效提升近邻晶界的协同变形能力，为理解晶界网络的复杂动力学行为提供了新的见解，对研究多晶材料中的晶粒形核、动态再结晶（包括变形孪生）等行为具有重要意义。
