在多晶金属中，塑性变形伴随着位错滑动导致的晶格旋转。在三维空间中跟踪这些旋转需要无损方法，到目前为止，这些方法仅限于微米尺度的晶粒尺寸，准确确定材料如何变形是实现更好的工程和设计的关键所在。
在此，重庆大学黄晓旭教授，吴桂林教授和清华大学Andrew Godfrey教授等人通过在透射电子显微镜中使用三维取向映射（3D-OMiTEM），来跟踪原位纳米力学测试之前和之后纳米晶粒中单个晶粒的旋转，许多较大尺寸的晶粒经历了意想不到的晶格旋转，将其归因于卸载过程中旋转的逆转。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。这些结果为纳米晶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的策略。
相关文章以“3D microscopy at the nanoscale reveals unexpected lattice rotations in deformed nickel”为题发表在Science上。
研究显示，大多数材料是多晶材料，这意味着它们由大量不同大小和取向的晶粒组成。这些晶粒的特性和排列，以及晶粒之间的晶界（GB）是决定材料特性（包括塑性）的基础。在粗晶金属和合金中，塑性通常由位错的成核和滑动（线性晶格缺陷）来维持，这种行为伴随着晶格旋转和加工硬化。在纳米晶粒金属中，塑性的来源尚不清楚。实验和模拟提出了一系列可能的替代机制，其中许多与GB介导的变形有关，包括GB滑动，GB迁移和晶粒旋转，通常这些预计仅对低于10至15 nm的晶粒尺寸很重要。
然而，在变形的纳米晶粒中仍然经常观察到位错、堆叠断层和变形孪晶，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。 粗晶金属和纳米晶粒金属变形之间的另一个区别是，传统粗晶材料中的塑性应变通常是不可恢复的。相比之下，在纳米晶粒铝和金中直接观察到塑性应变的实质性时间依赖性恢复，并且基于对卸载过程中X射线衍射峰展宽的逆转的观察，间接地在纳米晶粒镍中观察到塑料应变的大量时间依赖性恢复。
研究塑性变形的另一种直接方法是跟踪多晶样品的三维（3D）体积内单个晶粒取向的变化。对于粗晶金属，使用X射线同步辐射得以实现。对于纳米晶粒样品，先前的观测仅限于2D测量，例如柱状纳米晶粒钯的测量。最近，在透射电子显微镜（3D-OMiTEM）中进行三维定位技术的进展能够对样品中数百个纳米颗粒的形状和晶体取向进行快速、无损的3D成像。
作者使用直流电沉积法制备了纳米晶粒镍样品，通过聚焦离子束制备了亚微米级的柱子，柱轴垂直于样品沉积方向，从而保证了柱样品中晶粒平行于压缩轴的晶体方向的随机分布。同时，提供了压缩前后纳米晶粒镍柱的 3D 微观结构示例，使用3D-OMiTEM进行了表征（图1A、B），其中每个晶粒的颜色与其晶体取向相对应。重构后柱子体积接近12000000 nm3，直径从顶部100 nm到底部180 nm，提供了几百个具有宽光谱晶体取向的颗粒。重构后体积中的晶粒大多被高角度的GBs分离，晶粒尺寸跨越范围较宽，平均值为~20nm。许多颗粒的三维形状呈等轴状，与二维观测结果一致，但在柱状横截面上略有拉长。晶粒尺寸、形貌、晶体取向和空间排列揭示了三维晶粒结构的复杂和非均匀性。
此外，柱的侧壁锥度角为~3.5°，其最上部经历了局部的不均匀塑性变形，并在压缩后发生了实质性的形状变化（图1B）。压缩后，整体微观结构基本保持不变（图1C、D），而位置、大小和晶体取向略有变化。
图1. 纳米粒镍变形诱导结构变化的3D-OMiTEM表征
每个晶粒的压缩轴旋转（即比较变形前后平行于压缩轴的晶体方向）在0°到8°之间变化，平均旋转为1.8°。压缩轴旋转表现出复杂的模式，其中旋转不是由初始压缩轴方向唯一决定的。对于具有相似初始取向的晶粒，压缩轴旋转的大小差异很大（图2A）。然而，通过将观察到的旋转路径与使用基于位错滑移变形调节的粘塑性自洽（VPSC）晶体塑性模型计算的旋转路径进行比较，晶格旋转可以分为两种不同的类型（图2B）。54%晶粒的旋转路径与VPSC预测大致相当（图2C，A型），这意味着这些晶粒遵循与方向相关的晶格旋转，类似于先前观察到的粗晶金属。相比之下，其余46%的晶粒旋转方向与VPSC模拟预测的方向相反（图 2D，B 型）。
为了直接观察透射电镜中单个纳米晶粒的旋转，在柱子原位压缩期间进行了暗场成像，并以视频帧速率记录图像。在荷载的初始阶段，在远离支柱顶部的地方只发生了微观结构的变化（图3A、B）。然而，随着进一步的应变，许多晶粒发生了可检测到的旋转（图3B、 D）。例如，接近25%的晶粒在卸载状态下未在衍射条件下取向（即，在这些图像中被视为黑暗的晶粒;例如，晶粒2和3）在加载过程中旋转到衍射状态，在这些图像中逐渐变亮。类似地，近25%的晶粒在加载前处于强衍射状态，在样品完全加载时（例如，晶粒4）旋转出该衍射条件。在卸载过程中也发生了晶格旋转（图3E、H），例如晶粒2和3在加载过程中旋转到强衍射条件，在这些图像中逐渐变弱，在完全卸载后变暗。同样地，晶粒4在加载过程中旋转脱离强衍射状态，在卸载过程中旋转回到衍射状态。比较压缩前后柱的衍射对比，发现在卸载过程中晶粒一般向未变形状态旋转。
可以推测，卸载过程中意外的晶格旋转与研究中使用的柱的小样本量有关，其中在任何横截面上只有少量的颗粒存在。尽管在这种情况下是通过原位x射线衍射轮廓分析间接实现的，但在大块纳米粒镍和铁中也观察到卸载过程中塑性变形的恢复。为了研究这种可能性，作者评估了卸载过程中背应力对意外晶格旋转的贡献，在一个大小相似的单独柱样品上进行了进一步的实验，将柱暴露在多个加载和卸载循环中（图4A）。数据的分析表明，背压随着变形应变的增加而明显增加，占每个加载循环的最大施加应力的约54%。尽管在这种实验装置中不可能在加载和卸载过程中直接观察到相应的位错活动，但从循环加载曲线中揭示的明显高背应力是纳米晶粒意外晶格旋转的最可能起源。
综上所述，卸载过程中意外的晶格旋转是由于纳米晶粒系综变形的强非均质性造成的，并导致背应力的发展，从而驱动应变恢复，预计这些观察结果将与应变工程以及由金属制造的微尺度和纳米尺度机电系统直接相关，对于这些系统来说，严格的尺寸控制非常重要。同时，本文的研究结果还强调了在纳米尺度上无损地绘制3D微观结构对于理解纳米材料中的塑性变形的重要性，这里使用的3D-OMiTEM方法适用于广泛的纳米晶粒金属，可用于同时绘制初始尺寸小至几纳米的纳米晶粒系综的晶体学和形态特征，从而可以对它们在变形过程中的演变进行统计分析（或暴露于其他外部场，如加热）。此外，这种3D测量提供的数据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）耦合，以促进对纳米晶粒金属的3D微观结构演变和塑性更深入的理解。
Qiongyao He†, Søren Schmidt†, Wanquan Zhu, Guilin Wu*, Tianlin Huang, Ling Zhang, Dorte Juul Jensen, Zongqiang Feng, Andrew Godfrey*, Xiaoxu Huang*, 3D microscopy at the nanoscale reveals unexpected lattice rotations in deformed nickel, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2522
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