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在多晶金属中，塑性变形伴随着位错滑动引起的晶格旋转。在三维空间中跟踪这些旋转需要非破坏性的方法，到目前为止，这些方法仅限于微米尺度的晶粒尺寸。

2023年11月30日，重庆大学黄晓旭、吴桂林及清华大学Andrew Godfrey共同通讯在Science在线发表题为“3D microscopy at the nanoscale reveals unexpected lattice rotations in deformed nickel”的研究论文，该研究通过纳米尺度的三维显微镜揭示了变形镍中意想不到的晶格旋转。

在原位纳米力学测试前后，作者利用透射电子显微镜的三维定向映射来跟踪纳米镍中单个晶粒的旋转。许多较大尺寸的颗粒经历了意想不到的晶格旋转，研究人员将其归因于卸载过程中的旋转反转。这种固有的可逆旋转源于背应力驱动的位错滑移过程，该过程对于较大的晶粒更为活跃。这些结果为纳米颗粒金属的基本变形机制提供了见解，并将有助于指导材料设计和工程应用策略。

大多数材料是多晶的，这意味着它们是由大量不同大小和取向的晶粒组成的。这些晶粒的特征和排列以及晶粒之间的晶界(GBs)是决定材料性能的基础，包括塑性，即经历永久形状变化的能力。在粗粒金属和合金中，塑性最典型地由位错的形核和滑动(线性晶格缺陷)维持。这种行为伴随着晶格旋转和加工硬化，这是由于变形过程中位错的储存而发生的。在纳米颗粒金属中，塑性的起源尚不清楚，因为晶粒内部位错源的操作难度增加。

实验和模拟表明了一系列可能的替代机制，其中许多与GBs介导的变形有关。包括GB滑动、GB迁移和晶粒轮转，尽管通常这些仅对小于10至15纳米的晶粒尺寸重要。然而，在变形的纳米颗粒中仍然经常观察到位错、层错和变形孪晶，这表明某种形式的位错介导的塑性变形在纳米尺度上仍然活跃。粗粒金属和纳米颗粒金属变形的另一个区别是，常规粗粒材料的塑性应变通常是不可恢复的。相比之下，在纳米晶铝和金中直接观察到大量的塑性应变随时间的恢复，在纳米晶镍中也间接观察到卸载过程中X射线衍射峰展宽的逆转。

另一种研究塑性变形的直接方法，尽管在实验上具有挑战性，是通过跟踪多晶样品的三维(3D)体积内单个晶粒的取向变化。对于粗粒金属，这是通过X射线同步加速器方法实现的。对于纳米颗粒样品，以前的观察仅限于二维测量，例如对柱状纳米颗粒钯的测量，其中有报道称卸载时单个颗粒旋转的逆转。然而，最近在透射电子显微镜(3D-omitem)中进行三维定向测绘技术的进展现在允许对样品内数百个纳米颗粒的形状和晶体取向进行快速，非破坏性的三维测绘。

纳米镍变形诱导结构变化的3D-OMiTEM表征（图源自Science ）

该研究使用3D-OMiTEM技术，通过跟踪压缩前后的晶粒取向，提供了纳米镍柱中近300个纳米颗粒在压缩过程中的晶格旋转数据。结合现场暗场观测，该的结果揭示了卸载期间塑性变形的意外逆转。这导致了许多颗粒的整体晶格旋转，特别是对于较大的纳米颗粒，与先前对粗颗粒金属的观察结果不同。因此，一些颗粒要么表现出很小的整体旋转角度，要么甚至表现出与预期相反的整体旋转方向。这种3D测量提供的数据格式可以直接与先进的塑性模型(如分子动力学模拟和晶体塑性有限元建模)相结合，以促进对纳米颗粒金属的3D微观结构演变和塑性的更深入理解。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2522

转自：“iNature”微信公众号

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