福大《Scripta Mater》：液态金属致脆界面，无序与有序梯度结构！

当韧性金属 ( 如 Cu 、 Ni 和 Al) 与某些液态金属 ( 如 Bi 和 Ga) 接触时，在异常低的应力水平下发生晶间破坏，这种现象被称为液态金属致脆 (LME) 。数十年的研究致力于理解潜在的微观机制，球差校正扫描透射电子显微镜 (AC-STEM) 的发展解决了一般晶界 (GBs) 的结构问题，导致在原子尺度上对一些经典的晶间解离系统进行重新评价。 Al-Ga 体系是 LME 晶间结构的典型例子， Ga 穿透前沿的原子结构仍然不稳定。原位透射电镜显示，液态 Ga 沿着 Al 多晶界迅速渗透，形成 Ga 多吸附层。从理论到实验都进行了大量的研究，不同方法的理论计算预测了不同的偏析行为。已有研究表明， Al-Ga 界面可能包含多层，一层固定在 Al 表面，另一层是 Ga 层且顶部结合较差，而这种多层结构是由 GB 结构决定的，但是界面原子结构仍难以捉摸，目前尚不清楚有序的 Ga 层是否存在于普通的 GBs 中。

福州大学的研究人员揭示了Al普通晶界内富集Ga后的原子结构，阐明了以GB为核心的无序Ga层组成，并通过动态蒙特卡罗和分子动力学模拟进一步验证。相关论文以题为“The interfacial structure underpinning the Al-Ga liquid metal embrittlement: disorder vs. order gradients”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114149

用圆盘打孔机从Al多晶箔(纯度为99.99%，晶粒尺寸约为5μm，厚度为100μm)打孔一个3mm的圆盘，圆盘厚度由磨床减少至约25μm，然后立刻转移至110℃的热板上，在对磨表面放置Ga颗粒(纯度99.999%)，进行自发渗透。

 

研究发现未渗透Ga和含Ga的AlGBs均具有较高的弯曲度，说明Ga的渗透并没有改变GBs的自由度(DOFs)。在Ga渗透的铝晶界内发现了一种具有有序梯度的新形态结构。在渗透前沿的复合层至少由三层组成，其中两层有序地附着在每个铝晶粒表面，第三层在中间，Ga含量表现出递减的次序。混合MC/MD模拟验证了这种有趣的分离行为。

 

图1 未渗透(a)和Ga渗透(b) Al样品的HAADF图像，GBs用白色箭头指明；(c)放大了Ga渗透GB的HAADF图像；(d, e)元素分布图证实了Ga在晶界的富集；(f)在(c)的GB上取EDS线扫描图

 

图2 (a) 曲线型Al晶界；(b) 晶界边缘渗透后的HAADF图；(c) 线扫描结果；(d) 无序Ga层的HRTEM图；(e; f) 混合MC/MD仿真模型

 

图3 (a)GB中分解出的多层；(b) 放大的HAADF图以及线扫描结果；(c) 模拟渗透Ga的晶界原子结构；(d) Ga原子二维平均密度分布和无序参数分布

 

多层结构可以从高度有序的双分子层过渡到无序层，Ga吸附层将这两种结构特征整合在一个复合层中。这些结果表明，具有多层吸附(2层及以上)的结构可能导致界面脱粘。导致LME产生的根本原因不是界面有序，而是GB核中较弱的原子间相互作用。总的来说，本文揭示了Ga渗透Al通用GBs中复杂的、但普遍存在的界面分离结构，具有有序梯度，这丰富了研究者们对表层结构的认识。（文：破风）

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