Scripta Mater | 低温下Sn焊料为何突然变脆？准原位EBSD揭示孪生受阻导致的脆化机制

2025-12-02 13:44:56 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

Sn基焊料是电子封装中关键连接材料，但随着现代电子系统的快速发展，其应用场景也逐渐扩展，但Sn基焊料在深冷温度下的力学可靠性成为电子系统的重要限制因素。β-Sn具有较低的熔点（505 K），在室温下，β-Sn能够通过位错滑移、动态回复和连续动态再结晶（cDRX）展现出优异的延展性，但一旦温度继续降低至77 K，塑性会骤然下降，表现出典型的脆性断裂行为。

2025年11月24日，期刊《Scripta Materialia》上在线发表了题为“Temperature-dependent deformation mechanisms and transition of fracture behaviors in polycrystalline Sn”的研究论文。该论文的研究团队在本工作中系统揭示了β-Sn在低温下由延展转为脆性的根本原因：孪生无法跨晶界传递，导致晶界处局部应力集中并最终发生沿晶界脆性断裂。该论文的通讯作者为南京理工大学的夏夷平博士和王乙舒副教授、郭福教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.117112

【核心内容】

在这项研究中，团队通过准原位EBSD、几何相容性分析与原子模拟相结合的方法，对β-Sn在293 K与77 K下的变形行为进行了系统比较，发现温度主导了材料的塑性机制切换：室温以位错滑移与连续动态再结晶为主，而低温则完全由密集{301}孪生控制，滑移受限使材料的塑性显著降低。在77 K下，孪生在部分晶界处被阻断，使晶界两侧变形不协调并产生强烈应力集中，成为沿晶界脆性断裂的直接诱因，Schmid因子与Luster–Morris相容性因子的计算表明，孪生传递能力取决于晶界几何匹配。

图形摘要

【研究方法】

研究团队制备了平均晶粒尺寸约300 μm的多晶β-Sn试样，通过准原位单轴拉伸实现温度为293 K与77 K两种条件下的微观结构演化跟踪，293 K试样依次在0%、3%、6%、9%、15%与22%应变量下进行SEM/EBSD表征，而77 K试样在9%应变时即发生提前断裂，因此仅能记录至此。团队利用EBSD的IPF、KAM、晶界类型统计等指标系统表征变形机制，同时结合孪生迹线分析与Schmid因子、Luster-Morris几何相容性因子（m'）计算，判定孪生激活及跨晶界传递行为。此外，基于实验观察构建的晶粒模型被引入分子动力学模拟，用于捕捉孪生-晶界相互作用导致的应力传递与局部应变分布，从而验证实验揭示的脆化机制。

【研究成果】

① 温度引起Sn变形机制的根本转变

团队观察到，在室温和低温环境下的变形主导机制完全不同：

在293 K下，随着应变增加，晶粒内部取向逐渐发生连续变化，低角度晶界（LAGB）数量显著累积，表明变形主要通过位错滑移和后续的动态恢复来实现，最终演化为连续动态再结晶（cDRX）。
77 K时，材料内部则有大量孪生片的形成，并且许多孪生能够穿越晶界诱发邻晶的二次孪生，这意味着孪生成为主导的塑性变形机制，同时，低角度晶界增殖不明显，进一步证明位错活动受抑，低温塑性由孪生承担。

多晶Sn在不同温度（293K与77K）和应变下的EBSD IPF图演变

多晶Sn在293K和77K的变形机制对比

② 再结晶机制由cDRX转为dDRX

在293 K下，随着应变逐步增加，晶粒内部的低角度位错结构逐渐演变为新的高角度晶界，新晶粒在原晶粒内部连续生成，表明典型的连续动态再结晶（cDRX）正在发生。晶界迁移与KAM的逐渐降低验证了位错被不断吸收并实现软化，因此室温Sn表现出极高延性。而在77 K下，连续动态再结晶的过程受到了极大的抑制，取而代之的机制是在裂纹尖端出现了不连续的动态再结晶（dDRX），但这种再结晶极为局部，并不足以阻止裂纹扩展。

Sn在293K和77K的动态再结晶行为

③ 低温沿晶界脆断与“孪生无法跨晶界传递”密切相关

在低温环境下，裂纹主要沿晶界传播，表现为典型的沿晶界断裂模式，进一步分析表明，裂纹一侧的晶粒（如M3、M7）发生大量孪生，而另一侧（如M6、M5）孪生显著不足，双边塑性出现较大的不匹配。当孪生在晶界处受阻时，本应被跨晶界孪生吸收和分散的局部应变被迫堆积于晶界处，引发强烈应力集中，最终促使晶界开裂。孪生能否跨界传递并非仅由Schmid因子（外加载向控制）决定，还高度依赖几何相容性因子m'，当孪生几何相容性较差时，即使晶粒具备较高的孪生驱动力，也难以发生孪生传递，从而导致应力无法疏导。