近日，我院王江伟研究员联合浙大张泽院士、杨卫院士等人发文揭示孪晶界台阶控制金属材料中多级孪晶的形成与演化，相关成果以“Hierarchical twinning governed by defective twin boundary in metallic materials”为题发表在Science Advances上。
论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abn8299
界面和缺陷赋予了材料微观结构和力学性能巨大的调控空间。孪晶界作为一种具有镜面对称性的面缺陷，被广泛应用于调控工程材料和生物材料的变形行为和力学性能。孪晶界虽被认为是一种具有完美结构的理想界面，但实际晶体中的孪晶界上往往包含大量的原子级台阶等本征缺陷。目前，这种孪晶界上本征缺陷对纳米孪晶金属结构演化和力学行为的影响，尤其是在高密度孪晶网络和高阶孪晶等近年来获得广泛关注的微结构中的重要作用，尚不得而知。尽管学术界针对金属材料中多级孪晶的形成机制开展了大量研究，现有孪晶模型一般难以解释孪晶内部多级结构的形成和协同演化行为，极大制约着多级孪晶结构的制备和基于孪晶网络的材料力学性能设计。
浙江大学材料科学与工程学院张泽院士-王江伟研究员团队、浙江大学交叉力学中心杨卫院士-周昊飞研究员团队与东北大学田艳中教授、澳大利亚悉尼大学安祥海教授合作，利用多尺度力学测试、原位TEM、分子动力学模拟和理论建模，揭示了金属材料中孪晶界台阶诱导多级纳米孪晶形成的原子尺度机制，阐明了台阶高度在多级孪晶形核与生长过程中的关键作用；进而，证实了这种由孪晶界缺陷诱发的多级孪晶自增殖机制在不同低层错能合金中的普遍性。孪晶界缺陷诱发的多级孪晶自增殖最终可构建环绕该缺陷的五重孪晶。
图1. 孪晶界台阶及其诱发的二次孪晶。（A）纯Au压缩变形后产生的高密度纳米孪晶。（B-C）共格孪晶界和孪晶界台阶的原子结构。（D-G）原位拉伸加载下Au纳米晶体中初始孪晶界上较大的原子台阶诱发二次孪晶的形核与生长。
低层错能金属生长、退火或塑性变形过程中会产生大量孪晶。这些孪晶的界面通常并不完美，往往包含大量的原子级台阶等本征缺陷。图1A所示为纯Au压缩后形成的高密度纳米孪晶。这些共格孪晶界上存在大量的原子台阶（图1B-C）。不同高度的台阶具有相应的弹性应力场，进而影响材料的后续变形行为。为揭示孪晶界台阶的原子尺度演化行为，研究人员在TEM中制备了包含共格孪晶界的Au纳米晶体（图1D），初始孪晶界上具有若干不同高度的原子台阶。原位拉伸测试表明，初始孪晶界上较大的原子台阶（6层）倾向于诱发二次纳米孪晶的形核与长大（图1E-G）。
图2. 孪晶界台阶诱发二次孪晶的原子尺度机制。（A-D）初始孪晶界上的6层原子台阶连续发射不全位错诱发二次孪晶的形核与长大。（E-H）MD模拟验证二次孪晶的形核-长大过程以及台阶界面的结构演化。（I-J）层错发射前后孪晶界台阶处的应力集中。（K-L）二次孪晶形核与长大过程中孪晶界台阶的结构演化示意图。（M）孪晶界台阶处不全位错发射与台阶迁移激活能随台阶高度的变化。（N）二次孪晶形核与长大过程中台阶处弹性形变能的演化。
原子尺度动态分析表明，二次孪晶的形核与生长由一次孪晶界上的6层原子台阶连续发射Shockley不全位错主导（图2A-D）。不全位错的释放有利于降低台阶处的应力集中，从而促进二次孪晶的形成（图2I-J）。原位观察和MD模拟（图2-H）表明，伴随着二次孪晶的形核与生长，孪晶界台阶处的原子结构相应地发生改变。二次孪晶形核阶段，Shockley不全位错的连续发射导致较为平直的台阶界面演化为阶梯状结构（图2K，每个原子面的形成对应于一次不全位错的发射）；二次孪晶生长过程中，台阶界面相应地沿顺时针方向旋转（图2L），并最终演化为一段θ=46°的倾转晶界，其结构与C型结构因子构成的θ=50.48°对称倾转晶界类似，偏离理论预测的Σ9晶界（θ=38.9°）。MD模拟揭示了台阶高度对不全位错发射和台阶沿孪晶界迁移两种竞争机制的重要影响：较高的台阶（大于5个原子层）具有更低的位错激活能，因此有利于不全位错的持续发射（图2M）。定量计算进一步表明，拉伸过程中台阶界面的旋转与结构演化会持续降低初始孪晶台阶处储存的弹性应变能，有助于二次孪晶的形核与生长（图2N）。
图3. 低层错能合金中二次孪晶自增殖行为。（A-B）Cu–7 at % Al微米柱压缩。（C-D）304L奥氏体不锈钢室温准静态拉伸。（E-F）超细晶CoCrFeMnNi高熵合金低温（77K）准静态拉伸和真实应力-应变/加工硬化率曲线。
除了纯金属，低层错能合金中也经常观察到多级孪晶结构。利用多尺度力学测试与表征方法，研究人员进一步揭示了由一次孪晶界诱发的孪晶自增殖行为在不同低层错能合金中的普遍性。图3A-B所示为Cu–7 at % Al微米柱在原位TEM压缩实验过程中一次孪晶片层内产生的二次纳米孪晶。类似地，室温准静态拉伸后的304L奥氏体不锈钢中（图3C-D）和低温（77K）准静态拉伸后的超细晶CoCrFeMnNi高熵合金中（图3E）也观察到了由一次孪晶界诱发的二次纳米孪晶。值得一提的是，二次孪晶可提供额外的塑性变形能力和位错滑移障碍，有助于进一步提升高熵合金的低温强度和加工硬化率（图3F）。
图4. 孪晶界缺陷诱发五重孪晶的形成。（A-B）三重孪晶。（C-D）四重孪晶。（E-F）五重孪晶。（G）系统能量随孪晶阶数的变化。（H）不同阶数孪晶与理想五重孪晶系统能量随晶粒尺寸的变化。
极端变形条件下，该类孪晶界缺陷主导的孪晶自增殖机制可以诱发五重孪晶的形成。如图4A-F, 由二次孪晶导致的晶体取向调节和台阶结构演化可促进其它{111}面上不全位错的先后发射，逐步形成环绕初始孪晶界台阶的三重、四重和五重孪晶。MD模拟表明，二次孪晶的形核伴随着几何必需大角晶界的形成，因此会提高系统能量，此后更高阶孪晶的形成逐步将大角晶界分解为低能的孪晶界，降低系统能量（图4G）。此外，高阶孪晶的形成还依赖于晶粒尺寸。基于二维向错（disclination）的理论模型表明，五重孪晶系统的能量与R2成正比（R为晶粒半径），而三重和四重孪晶系统的能量由晶界能主导（与R成正比）。因此，较小的晶粒更有利于五重孪晶的形成。
本文结合多尺度力学测试、原位TEM、分子动力学模拟和理论建模，揭示了一种由孪晶界本征缺陷诱导的多级孪晶自增殖机制，有助于理解低层错能金属材料中多级孪晶结构的形成和演化行为，对利用界面和缺陷工程提升金属材料力学性能具有重要意义。
本工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。祝祺博士（现为新加坡南洋理工大学博后）、博士生黄绮珊、田艳中教授和赵树春博士为论文共同一作，浙江大学张泽院士、王江伟研究员、周昊飞研究员和澳大利亚悉尼大学安祥海教授为论文通讯作者，杨卫院士对本工作提出了宝贵的指导意见。
