近日，中心谢红波副研究员在镁合金晶界溶质偏聚与界面力学响应研究方面取得新进展。研究团队以变形Mg–Nd二元模型合金为对象，揭示了周期性Nd偏聚在静态条件下能够降低晶界局域应变能、实现化学稳定化，但在剪切载荷作用下却会显著削弱晶界的承载能力。相关研究成果以“Periodic Solute Segregation Weakens Chemically Stabilized Grain Boundaries”为题发表于纳米科学领域TOP期刊《纳米快报》（Nano Letters，Nature Index期刊）。
图1 周期性Nd偏聚非对称倾转晶界的原子尺度表征与结构模型
晶界是调控金属材料强度、塑性与失效行为的关键结构单元。溶质偏聚通常被视为稳定晶界、提高界面结合与抑制界面迁移的重要手段，尤其在稀土镁合金中，Nd、Y、Gd等稀土元素的界面偏聚往往与晶界强化和力学性能改善联系在一起。然而，“化学稳定”是否必然意味着“力学强化”，仍缺乏清晰的原子尺度认识。特别是对于具有复杂几何构型和局域应变场的非对称晶界，溶质在界面处形成有序偏聚后，其在外载荷下如何发生结构演化并控制塑性失稳，是界面设计中尚待解决的关键问题。
研究团队综合运用球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、分子动力学（MD）、相场晶体（PFC）模拟等手段对Mg–Nd合金中的非对称倾转晶界进行了系统研究。原子分辨HAADF-STEM观察发现，Nd富集原子柱并非连续分布，而是沿晶界呈现清晰的周期性排列。IFFT分析及原子模型表明，该晶界由(70"7" ̅10)/(60"6" ̅12)界面构成，晶界芯部存在周期性失配位错与局域结构畸变，Nd原子优先占据特定晶界位点并形成周期性富Nd团簇。
图2 晶界原子体积应变分布及Nd偏聚能分布
进一步的Voronoi原子体积分析显示，晶界芯部存在交替分布的局域体积膨胀与压缩区域，反映出明显的非均匀界面应变场。偏聚能计算表明，Nd原子更倾向于占据晶界芯部及局域畸变显著的位置，周期性偏聚构型的总能量低于随机固溶状态。结果说明，Nd偏聚能够通过适配失配位错和晶界几何约束所引起的局域原子体积应变，降低界面应变能并实现晶界的热力学稳定化；同时，最终偏聚构型还受到局域化学相互作用与原子配位环境的共同调控。
值得注意的是，这种静态稳定化并未转化为剪切条件下的力学强化。PFC与MD模拟均表明，随着Nd偏聚程度增加，晶界平行剪切的峰值响应和屈服应变明显降低，50% Nd偏聚晶界最早发生应力松弛。该结果揭示出一个反常但重要的界面效应：周期性Nd偏聚虽然降低了晶界局域应变能，却同时削弱了晶界抵抗剪切变形的能力。
图3 周期性Nd偏聚对晶界平行剪切力学响应的影响
原子尺度结构演化进一步揭示了晶界弱化的物理机制。对于纯Mg晶界，右向剪切时主要通过界面孪生实现应力释放，左向剪切时则以局域界面位错活动和晶界芯部重构为主，表现出显著的剪切方向依赖性。引入周期性Nd偏聚后，富Nd区域在更低应变下首先发生类非晶化结构重排，并触发单层或多层晶界滑移。随着加载继续，滑移区域逐层扩展，原本由晶体学控制的应力松弛路径被转变为以晶界滑移为主导的局域塑性失稳过程。
图4 Nd偏聚诱导晶界变形机制由界面孪生/晶界芯重构向晶界滑移转变
该研究从原子尺度证明，溶质偏聚引起的“热力学稳定化”与“力学强化”并非等价概念。对于复杂晶界，界面力学性能不仅取决于偏聚能或界面能是否降低，还取决于晶界几何、局域应变、溶质有序构型以及载荷诱导的结构转变路径。研究结果为理解稀土元素对镁合金界面性能的双重作用提供了新的物理图景，也为面向高可靠轻质合金的溶质工程与界面设计提出了重要启示。
博士研究生马先德为论文的第一作者，分析测试中心谢红波副研究员、材料学院卢一平教授及沈阳化工大学李姗姗博士为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（52671007；U2341261）、辽宁省自然科学基金（2024-BS-147）及中央高校基本科研业务费等项目的资助（DUT23RC(3)062）。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03381
