杨院生课题组：镁合金中溶质原子在晶界上非对称有序偏聚形成二维界面超结构

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经典的McLean偏聚理论认为溶质/杂质在界面上一般以单层或亚单层无序方式形成偏聚，忽略了界面原子之间的相互作用，也没有界面结构转变。最近，金属所杨院生团队与东北大学秦高梧团队合作，利用球差校正的HAADF-STEM技术在Mg-Nd-Mn三元体系中发现Nd/Mn溶质原子在线性倾转晶界上发生周期性的非对称有序偏聚，形成了如图1所示的4种新的偏聚模式。结合分子动力学模拟及Voronoi分析，发现这些线性非对称/对称倾转晶界上存在周期性交替分布的张应变区与压应变区，溶质原子在弹性应变最小化的驱动下偏聚到晶界上的特定张/压位点，形成由特定准结构单元组成的二维界面超结构。与完全对称的人造双晶界面或无位错的孪晶界面偏聚模式不同，这些周期性非对称偏聚的发生主要是由线性倾转晶界两侧局部应变不对称造成的。研究进一步表明，原子尺寸失配效应以及原子之间的化学键合作用是形成多原子层厚度界面超结构的主导因素；此外，原子之间的相互作用还诱发了界面相变。该研究结果以“Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries” 为题发表在《Nano Letters》。

图1 Mg-Nd-Mn合金中溶质原子在4种线性倾转晶界上的非对称有序偏聚

　　这一发现丰富了人们对于应变驱动溶质/杂质原子在界面偏聚行为的理解。溶质偏聚形成的周期性界面结构可能广泛存在于多晶材料的线性晶界中，由于线性晶界是块体材料中最为常见的面缺陷，尤其是金属材料热变形过程中经常出现高密度的线性晶界，调控这些晶界的溶质原子偏聚行为将为提高金属材料的力学性能开辟新的方向。基于该研究基础，杨院生团队已开发出了低成本、低合金含量的超高强Mg-Nd系耐热镁合金，并已申请国家发明专利。
　　该研究工作主要由金属研究所高温结构材料研究部特别研究助理黄秋燕博士（通讯作者）、东北大学讲师谢红波博士（第一作者）、潘虎成副教授（通讯作者）等青年研究人员完成。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”创新团队基金和中国博士后科学基金等项目的支持。
　　论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05008


      文章来源：金属所
      杨院生，中国科学院金属研究所二级研究员，博士生导师，学位委员会委员，先进材料凝固与制备创新研究组组长，中国科学院大学教授，博士生导师。1981年本科毕业于洛阳工学院金属材料及热处理专业获工学学士学位，1987年硕士研究生毕业于洛阳工学院金属材料及热处理专业获工学硕士学位，1992年毕业于中国矿业大学北京研究生院获工学博士学位。1992年在中科院金属研究所博士后出站后留金属所工作，1994年任副研究员，1996年中国科学院特批研究员，1997年博士生导师。1998-1999年获英国皇家学会女王奖学金在牛津大学材料系工作，2002年在英国帝国理工学院材料系任访问教授。历任中国科学院金属研究所高温合金研究室副主任、主任，学位委员会委员，中国科学院研究生院、中国科学院大学材料专家组组长等职务。为国务院政府特殊津贴专家、辽宁省优秀专家、沈阳市优秀科技工作者、中国科学院优秀教师、中科院研究生院优秀教师、国家科学技术奖励评审专家、辽宁省百千万首批百人层次人才、辽宁省高等院校和科研院所高层次科技创新人才、沈阳市领军人才、山东省泰山学者特聘专家。兼任中国机械工程学会材料物理模拟与数值模拟专业委员会副主任，中国材料研究学会镁合金材料及应用专业委员会常务理事，国际材料物理模拟与数值模拟‍联合会（IFPNS）常务理事，中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学分会副理事长,中国金属学会耐热钢与不锈钢学术委员会委员, 全国镁合金联盟副秘书长及学术委员会副主任，辽宁省化工学会副理事长，国家能源核电运营和寿命管理技术研发中心专家委员会委员，清华大学洛阳先进制造产业研发基地专家委员会委员，山东省科学院轻质高强重点实验室主任，山东省轻质高强金属材料省级重点实验室主任，山东省汽车轻量化镁合金材料工程技术研究中心主任，哈尔滨工业大学金属精密热加工国防科技重点实验室学委会委员，东北大学EPM重点实验室学委会委员，天津市镁合金型材挤压成型技术企业重点实验室学委会主任；东北大学、北京理工大学、河南理工大学、中北大学兼职教授，《Trans. Nonferrous Met. Soc. China》、《山东科学》、《中国有色金属学报》、《辽宁化工》编委等职务。长期从事高温合金与耐热合金、镁合金等新型金属材料的设计与制备、凝固技术与材料制备及模拟计算等研究，共主持20余项国家和省部级科技项目，包括国家自然科学基金重大项目课题、重点项目和面上项目，国家973计划课题、国防973课题、国家科技支撑项目课题、国家重点研发计划课题、中科院重大项目等。获省部级奖5 项，发表论文300余篇，其中SCI 收录200篇，参编专著4 部，获专利50 余项。培养博士后14 名，博士生31 名，硕士生42 名。
        秦高梧，1970年生人,东北大学教授、博士生导师。中国材料研究学会青年委员会理事,中国物理学会会员,日本金属学会会员,日本纳米学会会员。1988～1998年就读于东北大学材料系材料学专业,1998年末获工学博士学位。1999年初以英国皇家科学院访问学者身份在牛津大学从事三维原子探针的应用研究,1999～2006年就职于(国立)日本产业技术综合研究所,任研究员。2006年3月被东北大学聘为教授、博导。主要研究方向为金属材料的结构功能一体化,包括(1)低维材料(零维纳米粒子,一维纳米线和二维薄膜)的热力学、低维材料制备的新方法、低维材料的物理/化学特异性能及其相关器件设计;(2)新型大块材料的相图测定和热力学计算以及基于此的新型合金设计。近年来,在《Chemistry-A European Journal》、《Applied Physics Letters》、《Chemical Communications》、《Acta Materialia》等刊物上发表SCI收入论文25篇(其中SCI收录文章影响因子大于4.0的6篇),SCI源刊他人引用、评价百余次。目前作为项目负责人承担的科研项目有:(1)新型超高密度磁记录媒体的研究,国家自然科学基金项目,2007-2009;(2)Mg基合金相图、热力学计算与网络专家系统,国家“十一五”科技支撑计划,2006-2010;(3)Mg-Al-Zn(Mn)系合金设计与组织控制,中-美-加三国国际合作项目,中国科技部,2007-2012。教授《磁性材料》和《微观组织热力学》。