在广泛的温度、压力、应变速率等条件下，金属与合金的永久或塑性变形由位错完成，位错的可动性及其数量决定了晶体材料的力学行为。实际材料通常以多晶形式存在，每个晶粒由晶界分隔，而晶界会阻碍位错运动。Hall-Petch关系指出，金属屈服强度随晶粒尺寸减小而升高，其物理本质被解释为位错在晶界前塞积，且有效变形体积逐渐受限。当晶粒尺寸缩小到纳米量级时，这一经验规律失效：晶粒内部几乎不含位错，屈服强度不再升高甚至下降。这一转变通常归因于晶界本身驱动的塑性变形机制。目前已提出多种由晶界主导的应力松弛机制：晶粒旋转、晶界滑移以及剪切耦合晶界迁移（SCGBM）。前两种机制将晶粒视为不可变形的刚体，而 SCGBM 则涉及晶界移动，伴随晶粒长大或缩小。SCGBM 比晶粒旋转或滑移更难直观理解，但近年来受到广泛关注，因为它可在室温或中温下解释应力辅助晶粒长大，而以往这种现象仅出现在高温扩散蠕变过程中。由于纳米晶结构尺度小、复杂度高，原子尺度模拟成为研究上述问题的重要工具，但通常只考虑理想化晶界，难以还原真实多晶材料。实验方面，20 年来在纳米晶中实时追踪单个晶界及其取向变化一直极具挑战。Rottman等人利用原位 TEM发现，受应力驱动的晶界迁移并无特定取向偏好，但未能同步量化伴随的剪切应变。最新高分辨TEM揭示了SCGBM与晶粒旋转的关联，但SCGBM 在整体塑性变形中的权重仍不清楚。
二、【成果掠影】
在此，法国图卢兹大学Marc Legros等人（通讯作者）使用经退火去除晶内位错的超细晶铝（晶粒<1 µm），在210–230 °C下进行原位TEM拉伸，并结合原子力显微镜（AFM）定量测定迁移晶界所携带的剪切应变及其取向差。结果表明：在小晶粒多晶材料中，晶界能够在迁移过程中承担塑性变形，剪切量与晶界取向差无关，且效率始终较低。这些结果支持一种全新的晶界概念：晶界不应再被视为携带固有“耦合因子”（类似位错的伯格斯矢量）的晶体缺陷，而应被看作包含特殊缺陷——“断开”（disconnections）——的特定晶格，这些断开反过来主导晶界的（至少是力学）性能。研究同时证实，多晶体可在无位错的情况下发生塑性变形，但效率更低，为解释纳米晶金属在低温和室温下的低延展性提供了潜在思路。
相关研究成果以“Quantifying grain boundary deformation mechanisms in small-grained metals”为题发表在Nature上。
三、【核心创新点】
1.晶界能够在迁移过程中承担塑性变形，但效率低到远超预期，而且与晶界的取向无关。
2.晶界不应再被视为携带固有“耦合因子”（类似位错的伯格斯矢量）的晶体缺陷，而应被看作包含特殊缺陷—“断开”（disconnections）—的特定晶格。
四、【数据概览】
图1 将晶体学取向图叠加于预裂纹超细晶Al薄膜的明场TEM照片© 2025 Springer Nature
图2 220°C原位透射电镜应变实验中与晶界迁移相关的塑性应变测量© 2025 Springer Nature
图3 250℃、4MPa压缩35min后晶界迁移改性的Al3%Mg超细晶块体样品表面形貌© 2025 Springer Nature
图4 原位TEM和AFM测量的迁移晶界耦合因子β © 2025 Springer Nature
五、【成果启示】
综上所述，本文的发现可能迫使研究者重新思考晶界的本质，在金属与合金的位错塑性中早已熟知，除弹性性能外，所有力学性能（强度、延展性等）均源于缺陷，而非完美晶格本身。正如最近在晶界迁移性研究中所示，在扩散受限的相对较低温度下，晶界的力学性能应归因于其缺陷——“断开”（disconnections），而非宏观特征（惯习面、取向差）或结构（双色图样），尽管这些缺陷的存在依赖于晶格结构。这要求转变对真实晶界的视角，晶界常被视为多晶微结构中的“缺陷”；而本文推断，它们并非基本缺陷，而是承载更基本缺陷的载体，这些缺陷才是其动态性能的真正原因。
文献链接：“Quantifying grain boundary deformation mechanisms in small-grained metals”（Nature，2025，10.1038/s41586-025-09800-7）
