近日，吉林大学材料科学与工程学院高一鹏教授、查敏教授、王慧远教授团队在金属晶界塑性领域取得新进展。研究成果以“Deformation-induced grain rotation and grain boundary formation achieved through dislocation-disclination reactions in polycrystalline hexagonal close-packed metals”为题，于2023年3月11日在线发表在《Acta Materialia》上。

金属中常见的塑性变形机制包括位错塑性、孪晶塑性和相变塑性等，除此之外，晶界塑性（例如晶粒旋转和晶界滑移）也经常在多晶材料中被观测到。根据文献报道，晶界塑性不仅能够承载塑性应变，还可以协调由于晶体各向异性引起的晶粒间不相容性。特别对于纳米晶体变形和高温超塑性变形，晶界塑性甚至可以成为其主要变形机制。尽管大量的实验已经证实了晶粒旋转变形机制的发生，但目前仍然缺少严格的数学方法来量化晶粒旋转和预测变形织构。

图1：晶界形成的分类情况：（a）倾转晶界，（b）特殊扭转晶界，（c）混合晶界和一般扭转晶界。

为了解决这个问题，本文通过分析位错、向错等微观缺陷的拓扑关系，引入了旋转因子来判定加载过程中滑移系的开启和旋转倾向。晶粒/亚晶粒旋转和相关晶界结构可以通过Frank-Bilby方程的广义对偶解来预测。针对HCP镁合金中多种类型的位错和向错，将晶粒旋转和晶界形成机制进行了系统的分类，并通过背散射电子衍射（EBSD）等先进技术表征验证。这项工作不仅提出了一种基于位错和向错之间拓扑反应来研究晶粒/亚晶粒旋转的理论方法，还为多晶金属的塑性/超塑性变形机制研究提供借鉴。

图2：通过两组位错形成小角度晶界：（a）退火样品IPF图，（b）变形样品IPF图，（c）理论预测的晶界面，（d-f）向错密度分量测定，（g-i）几何必需位错密度分量测定。

材料加工工程专业博士研究生杜春风为本文的第一作者。通讯作者为吉林大学材料科学与工程学院高一鹏教授、王慧远教授，该工作得到了国家自然科学基金面上项目和重点项目的资助。

论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118855