文章兼本文作者：柳刚

Laves相金属间化合物中的Lomer-Cottrell Lock(位错锁)的原子像长什么样？能在传统TEM（比如明暗场）下看清全貌吗？C15/C36结构的转变除了涉及同步剪切（synchro-shear），还有其他的机理吗？近期马普所可持续物质研究所Gerhard Dehm团队在同一期Acta上（2026,303）发表两篇文章阐述以上问题，第一作者兼第一通讯为资深研究人员柳刚（Gang Liu）博士。

位错锁是金属材料和位错理论中非常重要的一个概念，尤其是其中的Lomer-Cottrell Lock，经常被拿来解释合金的强化机制，但是其原子尺度结构鲜有报道。非常扎实系统的工作是最近聂剑锋团队（L. Qi, Acta Mater. 199 (2020) 649）对高熵合金中各种位错锁结构的原子像表征（图1 left）。对于原子结构本身更复杂的Laves相合金（图1 right），相关研究则几乎空白。

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

这篇位错锁的文章首次在富Nb的NbCr2 Laves相合金中捕捉到四种位错锁类型的原子构型，分别属于LC-lock 和Hirth-lock 类型（Hirth lock 极少能捕捉到，推测由于形成能量较高），见图2. 作者根据原子构型，基于synchro-shear机制（Science 307(5710) (2005) 701）和元素微偏聚，推测了四种结构的形成机理，见图3.

图2 四种Lock的形成示意图（层错类型反应）、原子构型和TEM暗场像

图3 位错锁原子尺度形成机理图

这篇文章的另一大亮点是用不同g矢量的双束拍到了位错核的明暗场图像，真正意义上的“看到了”这些位错核的“全貌”。并且基于g·b可见/不可见标准证实了精确的伯氏矢量b。比如，对于Lock 1 结构，根据汤普森四面体（Thompson tetrahedron），考虑所有反应，Lock 1的伯氏矢量有可能是1/6<110>或者1/6 <-120>。但是根据g·b确认，最终的矢量就是<110>类型。作者将转轴的详细路径放在了附件里（见图4），可以给TEM实际操作和初学者提供很好的参照。

图4 暗场像拍摄转轴路线图

C15/C36非共格界面的文章观察的是同一样品，首次观察到两种类型的非共格界面：Type I型没有twinning的参与，Type II型在界面处相当于有一层最小层数的twinning参与缺陷形成，见图5。每个类型又由两种motifs交替构成，其中Type I包含Motif I和Motif 2，Type II型包含Motif 3和Motif 4. 对于Motif 2，根据原子的排布情况，又有两种更复杂的变体，即Motif 2’ 和Motif 2’’. 可见文章的亮点在于研究的细致和全面。

图5 两种类型（types）的C15/C36非共格界面构型

文章或者研究的难点在于对原子构型的解释。典型的例子是图6，利用一层一层的synchroshear机制猜想了C36结构怎么一层层转变为C15结构（附件里面也同样根据这个图猜想了C15向C36转变的情况）。这里特别感谢中南大学王丽教授，这种分析方法是他们首次提出（L. Wang, Acta Mater. 264 (2024) 119568.），作者也得到过王教授的亲自指导。另外，为了解释每一种Type的界面中两种Motif交替产生的原因，文章也首次提出了在一个ESF单元（ESF module）中，里面的两个triple layer存在两种剪切模式（shearing mode），即独立剪切和非独立（或称耦合）剪切两种模式。同时，也简单分析了motif 1 和motif 3，以及motif 2和motif 4之间的可能转变关系。最后，基于这些分析，提出了完整的C36/C15的转变长大机制图，图7。应该说，这种转变在水平方向借助synchroshear的概念是比较好解释和理解的，这里更创新的地方是解释了这种界面是如何在厚度方向（y轴方向）长大（扩展）的。

图6 layer by layer伯氏矢量分析揭示相转变过程原子移动过程

图7 C15/C36相转变和Y轴方向扩展示意图

两篇文章都选取的是稍微富Nb的NbCr2（35 at% Nb），事实上，成分的确对这些缺陷结构有很大的影响，已经发现富Cr的合金中的位错锁结构也有所不同，可能也和其断裂韧性有所联系。相关成果敬请期待。感兴趣和寻求合作的朋友可以联系作者：lgswansea@gmail.com.