image: (a) 二维固体的粒子排布。(b) σ_y(l)随D的变化。(c) σ_y在D-l二维参数空间中的等高线图，黑色虚线表示不同D下的最大强度。(d) 压缩下的粒子位移场。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
大多数晶体比如金属都是多晶，即由许多不同晶格取向的小晶畴或叫晶粒组成。晶粒间的界面即晶界，通常是薄薄的一两层比较无序的粒子。各种原子分子组成的多晶的强度都随晶粒的细化而增强，即著名的Hall-Petch 行为。在平均晶粒直径低于临界直径(大多材料为10 ~ 15 纳米， 约50个原子)后，趋势反转，即反Hall-Petch行为。而材料的强度如何随无序晶界的厚度变化却缺乏了解，甚至这个问题就很少被提出，可能是因为实验上难以增厚晶界。然而计算机模拟并不难，却也缺乏研究。
近年来，晶体-无序混合材料制备技术的突破带来了各种超级性能材料，包括超高强度合金。这些材料可看作是晶界很厚的多晶，但对无序晶界的厚度缺少系统地调控，其对材料强度的影响仍不清楚，如何搭配晶粒尺寸与晶界厚度使材料强度发挥到极致尚缺乏探索。
近日，由香港科技大学物理系韩一龙教授与香港科技大学广州分校博士生徐之镔主导，香港科技大学博士生李萌萌与西安交通大学材料学院的张会军教授参与，通过分子动力学模拟，系统地调整二维多晶的晶粒尺寸与晶界厚度，将材料强度从传统的单变量函数（即Hall-Petch与inverse-Hall-Petch行为）拓展为随平均晶粒尺寸与晶界厚度变化的双变量函数。
研究表明，增加无序晶界的厚度和减小晶粒直径对材料强度有类似的影响，因为二者都增加无序结构的比例。在晶粒平均直径大于约50个粒子时，随着晶界厚度的增加，固体的强度先增强（即强化阶段）后减弱（弱化阶段），其主要形变机制分别为晶粒内的位错运动和晶界内的滑移，这些分别与Hall-Petch和反Hall-Petch的行为和机制类似。在晶界直径小于50个粒子时，塑性变形完全来自于晶界滑移，故强化阶段缺失。晶界厚度对三维固体强度的影响应该与二维类似，因为它们的形变机制类似，只是位错更难在二维晶粒中稳定存在，所以二维样品的反Hall-Petch区域更大。
“通过系统地在更全面的二维参数空间里测量力学强度，我们得到如何适当增厚晶界来突破传统多晶的最大强度。这为制造更高强度的固体提供了一定的指导。”徐之镔说。
“固体结构与材料性质的关系是力学和材料领域的重要课题，在晶体-无序复合材料的研究中，较多关注如何打破材料强度记录之类的实用问题，而缺少对基础的Hall-Petch和反Hall-Petch行为的类比甚至拓展。而我们更好奇固体强度或其他性质在更大参数空间中的全貌。” 韩一龙说。“物理研究者常先用简单模型研究较普遍的现象和机理，所以我们只研究了简单的Lennard-Jones粒子组成的二维固体，而力学材料界更重视三维实际材料。晶界厚度对三维固体强度的影响应该与二维类似，因为它们的形变机制类似，这些不难在未来的三维实验和模拟中验证。”
另外，相比于大量的液体-玻璃态（即无序固体）转变的研究和压缩单晶使之瞬间坍塌成无序固体的研究，多晶-玻璃态转变这个新颖问题还很少被提出和研究，课题组之前曾调节晶粒大小首次发现一个清晰的多晶-玻璃态转变。而调节晶界厚度是实现多晶-玻璃态过渡的新路径，为未来多晶-玻璃态转变的研究提供了新的系统。
此项工作由香港研究经费局，广东基础与应用研究基金，中国国家自然科学基金资助。
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Generalization of the Hall-Petch and inverse Hall-Petch behaviors by tuning amorphous regions in 2D solids. National Science Open 2: 20220058, 2023
https://doi.org/10.1360/nso/20220058
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National Science Open