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研究背景

晶界（GB）是多晶材料內(nèi)部的重要界面，其結(jié)構(gòu)和成分對材料的力學性質(zhì)有顯著影響。近年來，隨著對晶界二維狀態(tài)的深入研究，晶界的工程化成為了材料設計的一個熱點。然而，晶界偏析引發(fā)的相變及其內(nèi)在的原子級特性仍存在理解不足的問題。這種偏析在技術(shù)上重要的合金中可能導致脆化或強化，給材料性能帶來復雜的挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了解決這一問題，馬普鋼鐵研究所Vivek Devulapalli，Christian H. Liebscher等團隊在Science期刊上發(fā)表了題為“Topological grain boundary segregation transitions”的最新論文。科學家們通過高分辨率顯微鏡和原子模擬等先進技術(shù)，研究了鐵在鈦合金晶界中的偏析行為。

研究發(fā)現(xiàn)，鐵在晶界處以二十面體籠結(jié)構(gòu)的形式被容納，這種結(jié)構(gòu)與鈦-鐵體系的平衡體相原子排列顯著不同。該研究揭示了鐵的偏析導致拓撲結(jié)構(gòu)的變化，并形成了新的晶界相，這些相的特征是以不同數(shù)量的二十面體籠結(jié)構(gòu)為基礎。

本文通過這些研究，科學家們不僅闡明了晶界偏析的機制，還為晶界拓撲的工程化提供了新思路。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新型合金及其在工業(yè)應用中的性能優(yōu)化奠定了基礎，從而在材料科學領域開辟了新的研究方向。

研究亮點

1. 實驗首次發(fā)現(xiàn)鈦鐵合金中晶界的二十面體籠結(jié)構(gòu)，通過高分辨率顯微鏡技術(shù)揭示了鐵在晶界中的偏析與新型拓撲結(jié)構(gòu)的形成。這一發(fā)現(xiàn)為理解合金的晶界性質(zhì)提供了新的視角。

2. 實驗通過原子分辨率成像和原子模擬確認，鐵的偏析誘發(fā)了晶界的拓撲偏析轉(zhuǎn)變。研究表明，鐵在晶界中以近乎規(guī)則的二十面體籠形式存在，這種結(jié)構(gòu)不同于鈦鐵體系的平衡體相原子排列。

3. 實驗結(jié)果顯示，二十面體籠的拓撲特性使其能夠適應雙晶結(jié)構(gòu)，并促進多種不同晶界相的形成。這些相具有不同數(shù)量的聚集二十面體籠，表明晶界的性質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)溶質(zhì)偏析進行工程化。

4. 研究表明，二十面體相的形成引發(fā)了新型的晶界狀態(tài)，這些狀態(tài)與玻璃狀或準晶體結(jié)構(gòu)相似，為未來多晶合金的晶界拓撲工程提供了新的可能性和理論基礎。

圖文解讀

圖1. 在金屬鈦中，對稱傾斜晶界grain boundaries，GBs的原子結(jié)構(gòu) 。

圖2 增加鐵Fe含量，導致晶界GB籠密度和籠簇形成增加。

圖3. 通過晶界的原子模擬，預測晶界GB相。

圖4. 在溫度T=300K時，計算化學勢差的函數(shù)與不同起始晶界GB相的鐵Fe中的晶界GB過量。

圖5. 晶界GBs處鐵籠的三維結(jié)構(gòu)。

結(jié)論展望

本文通過對鐵在鈦晶界中的偏析現(xiàn)象的深入分析，揭示了溶質(zhì)偏析與晶界結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系，尤其是形成二十面體籠結(jié)構(gòu)的機制。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的晶界偏析理論，表明晶界的相變不僅是簡單的分層現(xiàn)象，而是復雜的拓撲變換。這為我們理解晶界在材料性能中的作用提供了新的視角，尤其是在優(yōu)化合金的力學性能和耐腐蝕性方面。

其次，研究指出，利用溶質(zhì)偏析可以精確調(diào)控晶界的形態(tài)和性質(zhì)，從而為材料設計提供了新的策略。不同的偏析濃度能夠影響晶界的構(gòu)建塊排列，進而改變其穩(wěn)定性和相態(tài)特征。這一發(fā)現(xiàn)為未來開發(fā)具有特定性能的先進材料提供了理論基礎，尤其是在要求高強度和高韌性的應用領域。此外，研究結(jié)果還為探索其他傾向于形成類似二十面體結(jié)構(gòu)的合金系統(tǒng)開辟了新的研究方向，推動了材料科學的發(fā)展。

文獻信息

Vivek Devulapalli et al. ,Topological grain boundary segregation transitions.Science386,420-424(2024).

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