多晶材料是由具有不同晶体取向的晶粒组成的，这些晶粒通过晶界（GBs）相互分隔。晶界在三维（3D）空间中形成了一个复杂的网络，它们在热机械加工过程中会不断演变。晶界并非总是平坦的，它们通常展现出非均匀的曲率，并且三重结点（三个晶界相交的地方）常常处于非平衡状态。尽管晶界网络的动态变化本质上是三维的，但在三维空间中对微观结构演变的观察却很少，且通常分辨率较低。

晶粒的晶体特性使得晶界结构及其运动对相邻晶粒的晶体取向非常敏感，即双晶晶体学。因此三维多晶微观结构的演变对特定晶界处相遇的晶粒、微结构内晶界之间的结点以及驱动微观结构演变的力（例如毛细作用和机械应力）非常敏感。这种复杂性限制了我们对三维微观结构演变的预测和理解能力，尤其是在原子尺度上，晶界动态是决定性的。

针对上述的问题，由浙江大学、香港城市大学、新加坡南洋理工大学、香港大学等组成的研究团队，利用泽攸科技TEM原位进行了深入研究。这项研究结合了原子分辨率的原位纳米力学测试与原子模拟，揭示了晶界在三维空间中的动力学机制，特别是晶界通过一系列的弯曲分离活动进行调整的过程。相关成果以“Revealing grain boundary kinetics in three-dimensional space”发表在《Acta Materialia》上，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119717

论文的主要研究内容集中在揭示多晶和纳米晶材料中晶界（GBs）动力学的三维空间行为，特别是晶界在热机械刺激下的动态演变。研究团队通过原子分辨率的原位纳米力学测试和原子模拟，发现晶界并非是静态的平面结构，而是可以通过一系列复杂的原子级过程在三维空间中动态调整其曲率。

图 晶界动态调整的原位观测

研究的核心是断开机制（disconnection-based mechanism），这是一种基于晶界上的特殊线缺陷（即断开）的运动来描述晶界迁移和形貌变化的方法。在加载过程中，晶界通过连续的断开形核、传播和湮灭来逐渐调整其三维曲率，这些断开具有不同的各向异性迁移率，导致晶界在三维空间中动态弯曲。这种由弯曲断开介导的晶界弯曲和迁移可以在多个晶界之间协调进行，从而促进晶界网络中的三维晶粒生长或湮灭。

图 基于分离的三维晶界弯曲的动力学过程

研究团队还探讨了这种三维晶界动力学如何与多晶材料中的塑性变形和微观结构演变相联系。他们通过实验观察和分子动力学模拟，展示了晶界如何在三维空间中通过弯曲断开来响应加载，以及这些过程如何协调多个晶界的运动，导致晶粒的湮灭。这些发现不仅为理解晶界在金属材料塑性变形中的作用提供了新的视角，而且对于设计和优化具有优异性能的材料具有潜在的重要应用价值。

图 纳米多晶样品中阶错环介导的三维晶界曲面调整诱导晶粒收缩/湮灭

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