德国马克斯·普朗克研究所Science: 拓扑晶界偏析转变

近日，Science在线发表了德国马克斯·普朗克研究所Christian H. Liebscher、Vivek Devulapalli和美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Timofey Frolov课题组的研究论文，题目为「Topological grain boundary segregation transitions」。

多晶材料的性能受到晶界（GBs）结构和成分的强烈影响，晶界是最近发现采用不同二维态的内部材料界面。不同晶界相之间的转变是由多种因素引发的，包括多组分体系中溶质的偏析（合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析）。技术上重要合金中的晶界偏析可以产生巨大的影响，从有害的脆化到有益的强化，这强调了在原子水平上了解晶界偏析的重要性。

晶界偏析的理论模型提出，当达到晶界的溶解度极限时，在晶界处富集的溶质浓度会引起晶界相变。这一想法进一步发展为层状偏析转变模型，其中以杂质偏析量增加为特征的不同层态被认为是晶界的普遍现象。这些理论依赖于逐渐偏析导致溶质原子逐渐占据更多晶面的想法，但它们没有考虑晶界核内的原子重排。通过以原子分辨率解析晶界的不同核心结构，很少有足够的直接证据表明晶界中的偏析转变。此外，其他研究表明，溶质偏析可以引起晶界结构基序的变化。

在此研究中，作者使用原子分辨率成像和原子模拟表明，铁（Fe）在六方密堆积（hcp）钛（Ti）中的晶界偏析诱导了拓扑偏析转变，这与Fe溶质过量的突然增加有关。Fe以近乎规则的二十面体笼形结构容纳在晶界中，这与Ti-Fe体系中平衡体相的原子排列不同。二十面体笼形结构的拓扑性质由其固有的对称性、密集的原子堆积和几何灵活性来描述，使其能够适应给定的双晶结构，并促进形成几个不同的晶界相，其特征是不同数量的团簇状二十面体笼形结构。然而，它们的五重对称性和三角形表面原子网阻止了它们生长成体相。研究结果证明了二十面体相的形成如何诱导晶界的新态，这些态让人联想到玻璃状或准晶结构。通过深化对晶界偏析的原子级理解，这些观察为在多晶合金中设计晶界拓扑提供了新的可能性，其中许多合金显示出二十面体状结构的倾向。

图1 | Ti中对称Σ13[0001] {-7520}倾斜晶界的原子结构。

图2 | 增加铁含量会导致晶界笼形密度增加和笼形团簇形成。

图3 | Σ13 {-7520} [0001]边界原子模拟预测的晶界相。

图4 | 在T=300 K时计算了不同起始晶界相下Fe中晶界过量随化学势差的变化。

图5 | 晶界Fe笼的三维结构。

论文链接：

Devulapalli, V., Chen, E., Brink, T. et al. Topological grain boundary segregation transitions. Science, 2024, 386, 420–424. https://doi.org/10.1126/science.adq4147

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