镁合金退火过程中基于剪切耦合机制的晶粒异常旋转行为解析及其物理意义

本研究针对镁合金AZ91在500°C退火过程中出现的晶粒异常旋转现象，通过原位Laue白光X射线衍射技术，揭示了其旋转行为实际上遵循特定剪切耦合因子（β）和共同旋转轴的分段规律。该发现突破了传统晶界能降低理论的局限，为理解大尺寸晶粒旋转提供了基于disconnection介导的剪切耦合机制的新视角，对金属材料热处理工艺优化具有重要指导意义。

　　

在金属材料热处理领域，晶粒旋转现象长期以来被视为纳米晶材料的专属行为。传统理论认为晶粒旋转主要通过晶界扩散实现，以降低界面能为目的，其旋转速率与晶粒尺寸的四次方成反比（1/D⁴）。这意味着对于常规尺寸（10-100 μm）的晶粒，旋转速率将比100 nm的纳米晶慢8个数量级，使得宏观尺度下的晶粒旋转被认为几乎不可能发生。然而近年来的研究陆续在铝合金、钢和镁合金等常规材料中观察到晶粒旋转现象，特别是在部分熔融状态下这种现象尤为显著，这对传统理论提出了重大挑战。

更令人困惑的是，一些研究中报道的晶粒旋转呈现出"异常"（erratic）特征——旋转方向频繁反转，且并不总是遵循降低界面能的规律。这种异常旋转现象在镁合金AZ91的退火过程中被Liss等人首次详细记录，但其物理机制始终未能得到合理解释。究竟是实验误差导致的假象，还是背后隐藏着新的物理机制？这个问题成为理解金属材料微观结构演变的关键突破口。

为了破解这一难题，Matthew R. Barnett领导的研究团队在《Sedimentary Geology》上发表了最新研究成果。他们采用澳大利亚同步辐射中心的原位Laue白光X射线衍射技术，对AZ91镁合金在500°C等温退火过程中的晶粒旋转行为进行了高时间分辨率（每5秒一帧）观测。研究样本为0.8 mm厚的轧制AZ91镁合金（成分：9 wt.% Al，1 wt.% Zn），经过500°C预退火7分钟后水淬处理，使部分区域在后续500°C退火时产生约5%面积的液相，有效降低了晶界和三相点处的旋转约束。

关键技术方法包括：1）利用澳大利亚同步辐射中心微计算机断层扫描（MCT）光束线的原位退火-Laue衍射联用技术；2）采用DECTRIS EIGER2 R CdTe 1M探测器记录衍射斑点；3）通过FIJI Trackmate算法进行Laue峰追踪分析；4）结合XMAS软件套件进行Laue花样标定；5）基于硅单晶标定实验建立X射线能量与强度对应关系，用于后续强度校正。

研究结果揭示以下重要发现：

通过分析222个被追踪的Laue峰的旋转速率，研究发现几乎所有衍射斑点都在运动，平均旋转速率约为5°/小时，但波动范围达两个数量级。其中一些快速旋转的晶粒表现出明显的异常特征，成为本研究重点关注对象。

对一个典型异常旋转晶粒（Grain 1）的详细分析表明，其c轴在240秒内总旋转量达25°，平均旋转速率高达375°/小时，比平均水平快近两个数量级。然而进一步分析发现，这种旋转并非完全随机，而是由四个 distinct legs（阶段）组成，每个阶段都围绕一个共同的旋转轴进行，并遵循特定的圆弧轨迹。

强度校正分析显示，异常旋转的晶粒正在持续收缩。通过建立旋转角度与校正强度（与晶粒体积成正比）的关系，研究人员成功计算出剪切耦合因子β的值。结果显示每个旋转阶段都对应一个特定的β值，其量级与disconnection介导的剪切耦合机制预期相符。

对另一个完全标定的旋转晶粒（Grain 2）的分析进一步证实了上述规律，表明这种现象并非个别特例，而是具有普适性的物理机制。

研究结论与讨论：

本研究证实了镁合金AZ91在500°C退火过程中确实存在晶粒异常旋转现象，但揭示了这种旋转并非真正意义上的"异常"。实际上，旋转过程遵循着明确的物理规律：它由多个连续阶段组成，每个阶段都具有共同的旋转轴和恒定的剪切耦合因子β。这种分段特征反映了disconnection模式的变化——可能是同一界面上主导disconnection模式的转变，也可能是不同界面在晶粒收缩过程中交替成为主导迁移界面。

特别值得注意的是，在第二个旋转阶段观察到的旋转方向反转现象，可能与高β值条件下的耦合符号转变有关。这种现象在分子动力学模拟中已被预测，但在实验中首次得到验证。所有晶粒都在一定程度上发生旋转的事实表明，所谓的"异常"旋转实际上只是快速晶粒收缩与高剪切耦合因子共同作用的结果，而非某种特殊机制的表现。

该研究的重要意义在于：首先，它为解决长期困扰材料科学界的晶粒旋转机制问题提供了关键证据，确立了剪切耦合机制在常规尺寸晶粒旋转中的主导作用；其次，提出的disconnection介导的剪切耦合模型为理解复杂晶界行为提供了统一的理论框架；最后，研究展示的原位Laue衍射技术为后续研究微观结构演变提供了强有力的技术手段。这些发现不仅深化了对金属材料退火过程中微观机制的理解，也为未来材料热处理工艺的优化设计提供了重要理论指导。