多晶材料是由具有不同晶體取向的晶粒組成的，這些晶粒通過晶界（GBs）相互分隔。晶界在三維（3D）空間中形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它們在熱機(jī)械加工過程中會(huì)不斷演變。晶界并非總是平坦的，它們通常展現(xiàn)出非均勻的曲率，并且三重結(jié)點(diǎn)（三個(gè)晶界相交的地方）常常處于非平衡狀態(tài)。盡管晶界網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化本質(zhì)上是三維的，但在三維空間中對微觀結(jié)構(gòu)演變的觀察卻很少，且通常分辨率較低。

晶粒的晶體特性使得晶界結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)對相鄰晶粒的晶體取向非常敏感，即雙晶晶體學(xué)。因此三維多晶微觀結(jié)構(gòu)的演變對特定晶界處相遇的晶粒、微結(jié)構(gòu)內(nèi)晶界之間的結(jié)點(diǎn)以及驅(qū)動(dòng)微觀結(jié)構(gòu)演變的力（例如毛細(xì)作用和機(jī)械應(yīng)力）非常敏感。這種復(fù)雜性限制了我們對三維微觀結(jié)構(gòu)演變的預(yù)測和理解能力，尤其是在原子尺度上，晶界動(dòng)態(tài)是決定性的。

針對上述的問題，由浙江大學(xué)、香港城市大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、香港大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用澤攸科技TEM原位進(jìn)行了深入研究。這項(xiàng)研究結(jié)合了原子分辨率的原位納米力學(xué)測試與原子模擬，揭示了晶界在三維空間中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，特別是晶界通過一系列的彎曲分離活動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的過程。相關(guān)成果以“Revealing grain boundary kinetics in three-dimensional space”發(fā)表在《Acta Materialia》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119717

論文的主要研究內(nèi)容集中在揭示多晶和納米晶材料中晶界（GBs）動(dòng)力學(xué)的三維空間行為，特別是晶界在熱機(jī)械刺激下的動(dòng)態(tài)演變。研究團(tuán)隊(duì)通過原子分辨率的原位納米力學(xué)測試和原子模擬，發(fā)現(xiàn)晶界并非是靜態(tài)的平面結(jié)構(gòu)，而是可以通過一系列復(fù)雜的原子級過程在三維空間中動(dòng)態(tài)調(diào)整其曲率。

圖 晶界動(dòng)態(tài)調(diào)整的原位觀測

研究的核心是斷開機(jī)制（disconnection-based mechanism），這是一種基于晶界上的特殊線缺陷（即斷開）的運(yùn)動(dòng)來描述晶界遷移和形貌變化的方法。在加載過程中，晶界通過連續(xù)的斷開形核、傳播和湮滅來逐漸調(diào)整其三維曲率，這些斷開具有不同的各向異性遷移率，導(dǎo)致晶界在三維空間中動(dòng)態(tài)彎曲。這種由彎曲斷開介導(dǎo)的晶界彎曲和遷移可以在多個(gè)晶界之間協(xié)調(diào)進(jìn)行，從而促進(jìn)晶界網(wǎng)絡(luò)中的三維晶粒生長或湮滅。

圖 基于分離的三維晶界彎曲的動(dòng)力學(xué)過程

研究團(tuán)隊(duì)還探討了這種三維晶界動(dòng)力學(xué)如何與多晶材料中的塑性變形和微觀結(jié)構(gòu)演變相聯(lián)系。他們通過實(shí)驗(yàn)觀察和分子動(dòng)力學(xué)模擬，展示了晶界如何在三維空間中通過彎曲斷開來響應(yīng)加載，以及這些過程如何協(xié)調(diào)多個(gè)晶界的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致晶粒的湮滅。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解晶界在金屬材料塑性變形中的作用提供了新的視角，而且對于設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有優(yōu)異性能的材料具有潛在的重要應(yīng)用價(jià)值。

圖 納米多晶樣品中階錯(cuò)環(huán)介導(dǎo)的三維晶界曲面調(diào)整誘導(dǎo)晶粒收縮/湮滅