近日，上海大学材料科学与工程学院杜娟教授/郑强教授团队在材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》发表题为“Surface Energy Anisotropy Mediated Grain Rotation Yields Strong Texture in Low Symmetry Intermetallic Compounds”的研究论文。该工作以低对称性Nd₂Fe14B金属间化合物为模型体系，提出晶粒表面能各向异性（GSEA）驱动的准流体晶粒旋转织构形成机制。上海大学为论文第一单位，三明学院为第二单位，研究生全伟、马龙飞和李浩为论文共同第一作者，杜娟教授、郑强教授为论文共同通讯作者。
传统理论认为，低对称性金属间化合物的变形织构主要源于位错滑移、孪晶、溶解-析出或液相辅助晶界滑动。然而，这些机制在亚100 nm纳米晶中均面临根本困难：金属间化合物缺少滑移系，高密度晶界抑制位错运动。针对这一矛盾，研究团队以Nd2Fe14B为模型体系，通过第一性原理计算发现，晶粒表面能各向异性（GSEA）十分显著：其（001）表面能为1.29 J/m⟡，显著低于（100）面的2.34 J/m⟡；通过进一步计算发现晶粒旋转驱动力具有明显尺寸依赖性：当晶粒厚度小于45 nm时，GSEA起绝对主导作用；在45–224 nm区间，GSEA虽仍占主导地位，但逐渐向弹性应变能各向异性（ESEA）的主导作用过渡；晶粒厚度超过892 nm，ESEA才完全起主导作用。据此，团队提出百纳米以下晶粒旋转的主驱动力是GSEA，阐明了纳米晶强织构形成的能量来源。
图1晶粒旋转的驱动力与织构形成新机制
在实验中，研究团队采用低温-低应变速率变形条件（610 ℃、5×10⁻⁵ s⁻¹）进行变形。利用低温度抑制晶粒长大，低应变速率激活扩散蠕变，使多晶聚集体在应变过程中整体表现为高黏度准流体；在应变流中，GSEA驱动形成的片状纳米晶并在连续应变流中遵循Jeffery轨道旋转：其短轴（由GSEA形成的片状Nd2Fe14B中的c轴）逐渐转向宏观最大收缩方向，即压缩方向，晶粒取向逐步收敛，形成初步c轴织构；随后GSEA驱动高能晶界减少，取向晶粒通过晶界迁移持续吞噬取向失配晶粒，使织构进一步强化。整个演化可概括为片状晶形成，片状晶旋转和晶界迁移强化三个关键阶段。在亚100 nm晶粒中获得了强c轴织构：平均片状晶厚度约75 nm，细晶区c轴织构分数达99.6%，粗晶区也达到92.5%。研究表明，只要对具有显著晶粒表面能各向异性的纳米尺寸晶施加单轴蠕变变形，即可通过GSEA驱动的晶粒旋转与晶界迁移实现强织构。基于以上研究，研究团队提出了GSEA驱动晶粒各向异性生长-扩散蠕变准流体中Jeffery轨道旋转-GSEA驱动晶界迁移强化的织构形成机制。
图2纳米晶Nd-Fe-B的c轴织构程度与织构演变
该研究的意义在于，发现并提出了表面能各向异性驱动-扩散蠕变准流体-Jeffery旋转-晶界迁移强化的动态机制，丰富和完善了织构形成的动力学过程，为理解低对称性纳米晶织构起源提供了新的理论视角。该工作可推广到其他低对称纳米晶金属间化合物织构化研究中，有望推进高性能功能材料、先进结构材料等领域的微结构设计和调控，对开发下一代超高性能金属间化合物材料具有重要的指导意义。
该工作是上海大学杜娟教授、郑强教授团队在纳米晶变形织构形成机制、织构调控及高性能永磁材料领域取得的系列研究成果之一。研究成果得到了国家自然科学基金项目（Grant Nos. U23A20549、52671254）和国家重点研发计划项目（No. 2023YFB3507600）的支持。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78951
