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“镁”智库|原位电镜表征揭示镁合金{101¯2}孪晶界处溶质原子扩散动力学
来源:MRL | 作者:大镁 | 发布时间: 2026-03-12 | 20 次浏览 | 分享到:

镁合金中的变形孪晶在调控微观结构和变形行为中发挥着至关重要的作用，是克服镁合金在工业应用中强度和塑性限制的重要策略。稀土元素（如Y、Gd等）的添加不仅能够促进孪晶的形成，还能通过溶质偏聚改变孪晶界的结构，从而影响合金的宏观力学性能。以往研究报道了溶质原子在共格孪晶界的周期性平衡偏聚现象，这种偏聚结构能够同时增强合金的强度和延展性，吸引了越来越多的关注。以最容易激活的图片延伸孪晶为例，原子半径较大的溶质原子（如Gd、Y）往往优先占据孪晶界上的拉伸位，而半径较小的原子如Zn则偏聚到压缩位。溶质原子的偏聚能够钉扎孪晶界，抑制孪晶的快速生长并减少合金的软化。



迄今为止，关于溶质偏聚的研究主要采用高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM），HAADF-STEM图的衬度与原子序数具有直接关联，其中亮点表示重元素的富集。尽管原子尺度的偏聚结构已被深入揭示，但静态的表征方法无法提供溶质原子向孪晶界扩散的路径和动力学过程的信息。


上海交通大学曾小勤教授研究团队结合原位加热STEM实时观察与第一性原理计算，在原子尺度上追踪溶质Y原子向图片孪晶界扩散与偏聚的动态演化，揭示了一种具有溶质原子浓度交替波动特征的亚稳态偏聚结构，并基于时间序列STEM图像追踪了Y原子在孪晶界附近的潜在扩散路径。DFT计算进一步量化了基面内的扩散能垒，并确定了能量上更有利的偏聚位点。


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图1. 原位加热前后孪晶界的HAADF-STEM图。(a)加热曲线。(b)加热后的低倍图。(c) 孪晶界加热前的原子尺度图像。

插图中的FFT图证实了由白色虚线标记的共格图片拉伸孪晶界。(d)同一孪晶界加热后的原子尺度图像。插图显示了沿箭头方向从矩形区域提取的强度分布图。


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图2. HAADF-STEM图显示孪晶界两侧基面上Y原子浓度的周期性变化。(a)132°C时孪晶界的原子尺度HAADF-STEM图。

(b)沿箭头方向从编号“1”-“4”的矩形区域提取的强度曲线。(c)-(d)图a经IFFT滤波后的图像和相应的对比度增强图像。


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图3. HAADF-STEM图像显示亚稳态偏聚结构。(a)-(c)分别为132°C、172°C和220°C时孪晶界的HAADF-STEM图（上）和相应的对比度增强IFFT滤波图像（下）

。孪晶界上的拉伸位用白色圆圈标出。(d)原位加热实验后孪晶界的最终结构。(e)亚稳态偏聚结构示意图。


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图4. 时间序列HAADF-STEM图显示Y原子的潜在扩散路径。(a)叠加了连续6帧原子位点的HAADF-STEM图。

(b)-(f)相邻帧之间原子柱亮度的定量变化。(g)-(i)用折线标出的可能扩散路径。


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图5. 图片孪晶界附近Y原子扩散动力学的DFT计算。(a)孪晶界模型显示Mg（橙色）和Y（青色）原子。

(b) a中沿红色虚线框切割原子结构生成的侧视图。

(c)初始（IS）、过渡（TS）和最终（FS）状态下从位点0到位点1的空位介导扩散过程。

(d) Y原子在孪晶界附近基面上扩散的能量分布图。


研究团队以单相Mg-3Y（at.%）合金为模型体系，采用原位STEM加热技术对孪晶界溶质原子的偏聚进行了原子尺度的动态观察。实验首先在100°C下保温，促使Y原子向孪晶界富集；随后，通过阶梯升温至220°C以实现稳定的偏聚状态。利用HAADF-STEM图像强度对原子序数的敏感性，直接将原子柱亮度的变化与Y含量的起伏联系。


同时，结合DFT计算定量分析了空位介导扩散过程中的能垒和偏好位点，从而解释了实验观察到的溶质原子扩散路径。原位加热后，HAADF-STEM图像中显示图片孪晶界明显增亮，表明Y在孪晶界富集，并且主要占据孪晶界上的拉伸位。在132°C至172°C之间，实验直接观察到孪晶界两侧基面(0002)上Y原子的偏聚浓度呈现高低交替的波动，形成了厚度约为4-5个原子层的亚稳态偏聚结构。


随着温度升高至220°C，该结构几乎消失，说明这种结构是溶质扩散过程中的过渡态，而非平衡态。通过比较时间序列图像中孪晶界附近原子柱亮度的变化，进一步推断出了溶质原子向孪晶界扩散并偏聚的潜在路径。DFT计算结果表明，溶质原子向孪晶界扩散的过程中能垒呈现分级特征。靠近孪晶界的扩散路径中，存在能垒最高（约0.45eV）的步骤，这一步骤主导了溶质原子向孪晶界完全偏聚的速率，从而解释了亚稳态结构的形成及其最终向平衡偏聚演化的过程。


相较于传统静态表征，该工作在原子尺度上直接揭示了稀土溶质原子向图片孪晶界扩散的动态过程与亚稳态偏聚中间态，为孪晶界结构设计提供了理论依据。在应用层面，该研究表明可以通过选择合适的稀土元素并优化热处理工艺，调控孪晶界钉扎效应与组织稳定性，从而实现高性能镁合金的组织设计与性能提升。


相关研究成果以题为“Direct observation of solute atom diffusion dynamics towards 图片 twin boundary in a magnesium alloy”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的第一作者为上海交通大学助理研究员储淑芬和博士生许心宸，李扬欣副研究员、谢宇俊副教授和曾小勤教授为论文共同通讯作者，上海交通大学为唯一通讯单位。该研究工作获得国家自然科学基金（项目号：52471140, 52401159, 52425101, 12474186）和上海市自然科学基金（项目号：23ZR1431100）的资助。