重磅！馬普所兩篇《Acta Materialia》：Laves相原子尺度缺陷

重磅！馬普所兩篇Laves相原子尺度缺陷Acta文章

文章兼本文作者：柳剛

Laves相金屬間化合物中的Lomer-Cottrell Lock(位錯鎖)的原子像長什么樣？能在傳統TEM（比如明暗場）下看清全貌嗎？C15/C36結構的轉變除了涉及同步剪切（synchro-shear），還有其他的機理嗎？近期馬普所可持續物質研究所Gerhard Dehm團隊在同一期Acta上（2026,303）發表兩篇文章闡述以上問題，第一作者兼第一通訊為資深研究人員柳剛（Gang Liu）博士。

位錯鎖是金屬材料和位錯理論中非常重要的一個概念，尤其是其中的Lomer-Cottrell Lock，經常被拿來解釋合金的強化機制，但是其原子尺度結構鮮有報道。非常扎實系統的工作是最近聶劍鋒團隊（L. Qi, Acta Mater. 199 (2020) 649）對高熵合金中各種位錯鎖結構的原子像表征（圖1 left）。對于原子結構本身更復雜的Laves相合金（圖1 right），相關研究則幾乎空白。

圖1 Left: 簡單FCC（高熵合金）中典型LC-Lock結構（Acta Mater. 199 (2020) 649; Right: NbCr2 Laves相合金中LC-Lock結構（Acta Mater. (2025) 121700）

這篇位錯鎖的文章首次在富Nb的NbCr2 Laves相合金中捕捉到四種位錯鎖類型的原子構型，分別屬于LC-lock 和Hirth-lock 類型（Hirth lock 極少能捕捉到，推測由于形成能量較高），見圖2. 作者根據原子構型，基于synchro-shear機制（Science 307(5710) (2005) 701）和元素微偏聚，推測了四種結構的形成機理，見圖3.

圖2 四種Lock的形成示意圖（層錯類型反應）、原子構型和TEM暗場像

圖3 位錯鎖原子尺度形成機理圖

這篇文章的另一大亮點是用不同g矢量的雙束拍到了位錯核的明暗場圖像，真正意義上的“看到了”這些位錯核的“全貌”。并且基于g·b可見/不可見標準證實了精確的伯氏矢量b。比如，對于Lock 1 結構，根據湯普森四面體（Thompson tetrahedron），考慮所有反應，Lock 1的伯氏矢量有可能是1/6<110>或者1/6 <-120>。但是根據g·b確認，最終的矢量就是<110>類型。作者將轉軸的詳細路徑放在了附件里（見圖4），可以給TEM實際操作和初學者提供很好的參照。

圖4 暗場像拍攝轉軸路線圖

C15/C36非共格界面的文章觀察的是同一樣品，首次觀察到兩種類型的非共格界面：Type I型沒有twinning的參與，Type II型在界面處相當于有一層最小層數的twinning參與缺陷形成，見圖5。每個類型又由兩種motifs交替構成，其中Type I包含Motif I和Motif 2，Type II型包含Motif 3和Motif 4. 對于Motif 2，根據原子的排布情況，又有兩種更復雜的變體，即Motif 2’ 和Motif 2’’. 可見文章的亮點在于研究的細致和全面。

圖5 兩種類型（types）的C15/C36非共格界面構型

文章或者研究的難點在于對原子構型的解釋。典型的例子是圖6，利用一層一層的synchroshear機制猜想了C36結構怎么一層層轉變為C15結構（附件里面也同樣根據這個圖猜想了C15向C36轉變的情況）。這里特別感謝中南大學王麗教授，這種分析方法是他們首次提出（L. Wang, Acta Mater. 264 (2024) 119568.），作者也得到過王教授的親自指導。另外，為了解釋每一種Type的界面中兩種Motif交替產生的原因，文章也首次提出了在一個ESF單元（ESF module）中，里面的兩個triple layer存在兩種剪切模式（shearing mode），即獨立剪切和非獨立（或稱耦合）剪切兩種模式。同時，也簡單分析了motif 1 和motif 3，以及motif 2和motif 4之間的可能轉變關系。最后，基于這些分析，提出了完整的C36/C15的轉變長大機制圖，圖7。應該說，這種轉變在水平方向借助synchroshear的概念是比較好解釋和理解的，這里更創新的地方是解釋了這種界面是如何在厚度方向（y軸方向）長大（擴展）的。

圖6 layer by layer伯氏矢量分析揭示相轉變過程原子移動過程

圖7 C15/C36相轉變和Y軸方向擴展示意圖

兩篇文章都選取的是稍微富Nb的NbCr2（35 at% Nb），事實上，成分的確對這些缺陷結構有很大的影響，已經發現富Cr的合金中的位錯鎖結構也有所不同，可能也和其斷裂韌性有所聯系。相關成果敬請期待。感興趣和尋求合作的朋友可以聯系作者：lgswansea@gmail.com.

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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