當(dāng)韌性金屬(如Cu、Ni和Al)與某些液態(tài)金屬(如Bi和Ga)接觸時，在異常低的應(yīng)力水平下發(fā)生晶間破壞，這種現(xiàn)象被稱為液態(tài)金屬致脆(LME)。數(shù)十年的研究致力于理解潛在的微觀機(jī)制，球差校正掃描透射電子顯微鏡(AC-STEM)的發(fā)展解決了一般晶界(GBs)的結(jié)構(gòu)問題，導(dǎo)致在原子尺度上對一些經(jīng)典的晶間解離系統(tǒng)進(jìn)行重新評價。Al-Ga體系是LME晶間結(jié)構(gòu)的典型例子，Ga穿透前沿的原子結(jié)構(gòu)仍然不穩(wěn)定。原位透射電鏡顯示，液態(tài)Ga沿著Al多晶界迅速滲透，形成Ga多吸附層。從理論到實驗都進(jìn)行了大量的研究，不同方法的理論計算預(yù)測了不同的偏析行為。已有研究表明，Al-Ga界面可能包含多層，一層固定在Al表面，另一層是Ga層且頂部結(jié)合較差，而這種多層結(jié)構(gòu)是由GB結(jié)構(gòu)決定的，但是界面原子結(jié)構(gòu)仍難以捉摸，目前尚不清楚有序的Ga層是否存在于普通的GBs中。

福州大學(xué)的研究人員揭示了Al普通晶界內(nèi)富集Ga后的原子結(jié)構(gòu)，闡明了以GB為核心的無序Ga層組成，并通過動態(tài)蒙特卡羅和分子動力學(xué)模擬進(jìn)一步驗證。相關(guān)論文以題為“The interfacial structure underpinning the Al-Ga liquid metal embrittlement: disorder vs. order gradients”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114149

用圓盤打孔機(jī)從Al多晶箔(純度為99.99%，晶粒尺寸約為5μm，厚度為100μm)打孔一個3mm的圓盤，圓盤厚度由磨床減少至約25μm，然后立刻轉(zhuǎn)移至110℃的熱板上，在對磨表面放置Ga顆粒(純度99.999%)，進(jìn)行自發(fā)滲透。

研究發(fā)現(xiàn)未滲透Ga和含Ga的AlGBs均具有較高的彎曲度，說明Ga的滲透并沒有改變GBs的自由度(DOFs)。在Ga滲透的鋁晶界內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種具有有序梯度的新形態(tài)結(jié)構(gòu)。在滲透前沿的復(fù)合層至少由三層組成，其中兩層有序地附著在每個鋁晶粒表面，第三層在中間，Ga含量表現(xiàn)出遞減的次序。混合MC/MD模擬驗證了這種有趣的分離行為。

圖1 未滲透(a)和Ga滲透(b) Al樣品的HAADF圖像，GBs用白色箭頭指明；(c)放大了Ga滲透GB的HAADF圖像；(d, e)元素分布圖證實了Ga在晶界的富集；(f)在(c)的GB上取EDS線掃描圖

圖2 (a) 曲線型Al晶界；(b) 晶界邊緣滲透后的HAADF圖；(c) 線掃描結(jié)果；(d) 無序Ga層的HRTEM圖；(e; f) 混合MC/MD仿真模型

圖3 (a)GB中分解出的多層；(b) 放大的HAADF圖以及線掃描結(jié)果；(c) 模擬滲透Ga的晶界原子結(jié)構(gòu)；(d) Ga原子二維平均密度分布和無序參數(shù)分布

多層結(jié)構(gòu)可以從高度有序的雙分子層過渡到無序?qū)樱珿a吸附層將這兩種結(jié)構(gòu)特征整合在一個復(fù)合層中。這些結(jié)果表明，具有多層吸附(2層及以上)的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致界面脫粘。導(dǎo)致LME產(chǎn)生的根本原因不是界面有序，而是GB核中較弱的原子間相互作用。總的來說，本文揭示了Ga滲透Al通用GBs中復(fù)雜的、但普遍存在的界面分離結(jié)構(gòu)，具有有序梯度，這豐富了研究者們對表層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。