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在多晶材料中，晶界（GB）網絡的協調演變對其塑性至關重要。三叉結（TJs），作為連接相鄰晶界的交匯線，是GB網絡不可或缺的部分，并且對整個GB網絡及多晶材料微觀結構的變化具有重要意義。盡管TJs的能量和遷移率特性以及它們在缺陷成核/轉移中的傾向和雜質親和力已經被廣泛認可，但其動態行為及其與GB塑性的耦合，尤其是在原子尺度上的研究仍然非常有限。傳統上認為TJs在穩態下發生變形，然而這種觀點未能充分解釋復雜GB網絡演化過程中TJs的實際作用。由于實驗分析的復雜性，包括需要同時清晰地成像所有邊界，以及TJ運動與相連GB協同遷移之間的強相關性，這些挑戰極大地阻礙了我們對實際多晶體中與TJ運動密切相關的GB網絡動力學演化的理解。

針對上述問題，由浙江大學、香港城市大學和重慶大學等組成的研究團隊利用了澤攸科技的原位TEM進行了深入研究，他們觀測到TJs在應力驅動下的多種結構轉變模式，包括無序原子排列、亞晶形成、密集堆垛層錯和納米孿晶等，并提出了基于TJs幾何構型的T/Y準則，用于預測TJs重構的傾向性，相關成果以“Stress-driven triple junction reconstruction facilitates cooperative grain boundary deformation”為題發表在《Acta Materialia》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120565

論文深入探討了多晶材料中三叉結（TJs）在應力驅動下的動態重構過程及其對促進晶界（GBs）網絡協同變形的重要作用。研究團隊利用先進的原位納米力學測試技術，通過原子尺度的觀察，揭示了金和鉑多晶體中的TJ在外部加載條件下經歷的一系列復雜結構轉變。這些轉變包括從無序原子排列到亞晶粒形成、密集層錯以及納米孿晶等不同模式。研究發現，這種TJ重構通常起始于那些預測具有強拖曳效應的TJ處，并為相鄰GB的協同運動提供了一條有效的路徑，與傳統認為TJ在穩態下變形的觀點形成了鮮明對比。

圖 多晶網絡中三叉晶界的結構轉變示意圖

圖 三叉晶界動態重構的原位觀測。a-d. 晶界網絡中非守恒階錯流量介導的三叉晶界重構；e-h. 三叉晶界重構區域的長大

該研究不僅提供了關于TJ動態行為的新見解，還詳細分析了導致這種現象發生的機制。TJ重構過程中涉及的原子級結構變化，如通過釋放累積的殘余Burgers矢量實現“再結晶”，能夠有效緩解由于GB遷移不協調而在TJ處積累的變形不兼容性。此外，研究還指出，TJ重構區擁有較大的自由體積分數，這為其結構的動態調整提供了空間。實驗結果表明，隨著應變的增加，TJ重構區內的原子結構會在有序與無序狀態之間頻繁轉換，可能形成低能態的原子配置，如包含輕微取向偏差的亞晶粒、密集層錯或孿晶納米晶粒等。

圖 三叉晶界的原子尺度重構機制。a-f. 幾何相位分析（GPA）揭示變形過程中三叉結附近的應變狀態；g. 重構區域形核和長大的機理圖

圖 三叉晶界重構區域的動態結構演化及其對晶界網絡演變的影響。a-c.原子排布的逐漸有序化；c-e.納米孿晶持續生長并通過新形成的三叉結的協同遷移來促進晶界網絡的動態演變；f.三叉結處的應變集中得到緩解

進一步地，研究團隊建立了TJ幾何形狀與協同GB運動難度、TJ拖曳效應程度及傾向發生TJ重構之間的定量關系。研究表明，TJ重構不僅有助于釋放初始TJ處累積的變形不兼容性，還能顯著影響整個GB網絡的演化路徑。例如，當TJ重構形成孿晶結構時，不僅可以促進原有鄰近GB的協同運動，還可能通過引入新的TJs改變GB網絡的動力學特性。這種由應力驅動的TJ重構機制強調了其在調節多晶材料塑性中的關鍵作用，并呼吁重新審視TJs在多晶材料中的角色。

圖 三叉晶界重構與其幾何構型轉變的關聯。a-d.階錯介導的三叉晶界幾何構型轉變，導致晶界三叉結短暫遷移后發生停滯；e-h.三叉晶界的分解、重構和長大

總的來說，這項研究通過對TJ在原子尺度上的動態行為及其與GB動力學耦合的探索，豐富了我們對于復雜GB網絡演化的理解。它不僅挑戰了傳統的TJ變形理論，也為未來研究如何通過調控TJ特性來改善多晶材料性能提供了新思路。研究結果對于深入理解多晶材料微觀結構演變規律及其宏觀性能之間的關系具有重要意義，同時也為開發新型高性能材料開辟了新的途徑。