導(dǎo)讀：致密的變形孿晶網(wǎng)絡(luò)賦予金屬和合金前所未有的機(jī)械性能。然而，這些分層孿生結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制仍然存在爭議，特別是它們與孿生邊界（TBs）的關(guān)系。本文研究了面心立方金屬材料中 TB 的內(nèi)在變形能力，其中初級 TB 上的固有扭結(jié)被證明有助于形成二級和分層納米孿晶。這種由缺陷驅(qū)動(dòng)的分層孿晶傾向嚴(yán)重依賴于扭結(jié)高度，事實(shí)證明這通常適用于具有低堆垛層錯(cuò)能的各種金屬和合金，可以通過這種自激活的分層孿生機(jī)制構(gòu)建五重孿生。

缺陷賦予材料多樣性的微觀結(jié)構(gòu)特征，從而能夠控制材料特性。在不同的缺陷中，共格孿晶界 (TB) 是一種廣泛存在于工程和生物材料中的對稱平面缺陷，它帶來了前所未有的特性和功能。原則上，材料的孿晶相關(guān)的優(yōu)異機(jī)械性能主要來自于共格 TB 的內(nèi)在穩(wěn)定性（具有完美的相干性和極低的過量能量），位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的有效障礙，以及與位錯(cuò)的方向相關(guān)的相互作用。值得注意的是，所有類型孿晶（包括變形孿晶、生長孿晶和退火孿晶）中的連貫 TB 通常包含大量扭結(jié)，這表明它們本質(zhì)上是不完美的。這些有缺陷的 TB 可以通過孿晶位錯(cuò)/扭結(jié)的運(yùn)動(dòng)激活 TB 滑動(dòng)/去孿晶或從扭結(jié)引起異質(zhì)位錯(cuò)成核來促進(jìn)不同加載條件下的塑性變形。通常，在納米孿晶 (NT) 材料中存在固有的最大強(qiáng)度，這取決于 TB 間距 。

與其在對齊良好的主孿晶中推動(dòng) TB 間距控制強(qiáng)化的極限，具有連貫 TB 密集網(wǎng)絡(luò)的分級孿晶材料已成為一種新的 NT 材料，其中主孿晶層中的空間已被細(xì)分通過自發(fā)植入多個(gè)滑移系統(tǒng)的屏障，帶來進(jìn)一步提高材料可變形性的潛力。這些層次結(jié)構(gòu)經(jīng)常在各種具有低堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 的金屬材料中觀察到，包括面心立方 (fcc) 金屬 、孿晶誘導(dǎo)塑性鋼 、形狀記憶合金和高熵合金 (HEA) 。不幸的是，這些分層孿生結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程在很大程度上仍然未知。

已經(jīng)提出了幾種理論，例如多個(gè)孿晶系統(tǒng)的巧合碰撞或由晶界（GB）遷移介導(dǎo)的多重孿晶，所有這些都需要高度特定的條件，可能不足以解釋頻繁發(fā)生分層孿晶。另一方面，最近的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果暗示了初級 TB 的分級孿生機(jī)制，因?yàn)槌跫墝\晶層內(nèi)有足夠的空間用于分級塑性變形 。然而，與 TB 缺陷和經(jīng)常觀察到的分層孿晶相關(guān)的原子變形動(dòng)力學(xué)仍然是一個(gè)懸而未決的問題，這阻礙了對分層孿晶結(jié)構(gòu)的操縱以實(shí)現(xiàn)金屬材料的突破性性能。

在這里，浙江大學(xué)張澤院士、楊衛(wèi)院士等人研究了面心立方金屬材料中缺陷 TB 的內(nèi)在變形能力，使用多尺度原位透射電子顯微鏡 (TEM) 納米力學(xué)測試和分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬，揭示了低 SFE 金屬材料中由缺陷 TB 控制的分級孿晶過程的結(jié)構(gòu)和機(jī)械起源。缺陷 TB 上預(yù)先存在的或變形引起的扭結(jié)可以作為二次孿晶的有效成核位點(diǎn)，并在幾個(gè)具有低 SFE 的代表性 fcc 系統(tǒng)中主導(dǎo)分級孿晶過程，包括 Au、Cu-Al 合金、304L 不銹鋼和 CoCrFeMnNi HEA。作為一個(gè)幾何極端，可以通過包含 TB 扭結(jié)的這種分層孿生動(dòng)力學(xué)的順序激活來生成五重孿晶。這些發(fā)現(xiàn)闡明了具有低 SFE 的金屬和合金中分層孿晶的普遍內(nèi)在傾向，相關(guān)成果以“Hierarchical twinning governed by defective twin boundary in metallic materials”為題發(fā)表在Science Advances上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8299

圖 1。Au中的缺陷TB和TB扭結(jié)激活的二次納米孿晶。

( A ) TEM 圖像顯示變形后的 Au 中的平行納米孿晶。箭頭表示 TB 缺陷。（B和C）原子分辨率 TEM 圖像分別顯示了完美的 TB 和包含多個(gè)扭結(jié)的有缺陷的 TB。（D到G）變形快照顯示了從金納米晶體中的 TB 扭結(jié)產(chǎn)生的二次納米孿晶的成核和生長

圖 2。TB扭結(jié)自激活形成二次納米孿晶的原子機(jī)制。

（A和B）TB 扭結(jié)在部分位錯(cuò)（帶有尾隨 SF）發(fā)射到 T1 之前和之后的原子結(jié)構(gòu)。虛線描繪了 TB 扭結(jié)處的晶格畸變，黃色箭頭表示沿主 TB 的孿生部分的運(yùn)動(dòng)。（C和D）二次納米孿晶的成核和生長，伴隨著多面TB扭結(jié)向由C型結(jié)構(gòu)單元組成的傾斜GB片段的演變。（E到H) MD 模擬快照闡明了與次級納米孿晶 T2 的形成相關(guān)的 TB 扭結(jié)的演變。（E 和 F）從原發(fā)性 TB 上預(yù)先存在的六原子層扭結(jié)發(fā)出的外在 SF。(G) 二次納米孿晶 (T2) 的形成。(H) 隨著 T2 的持續(xù)增長，TB 扭結(jié)結(jié)構(gòu)演變?yōu)?GB 段（取向差為 46°）。扭結(jié)界面的連續(xù)傾斜的特點(diǎn)是扭結(jié)界面和初級TB之間的二面角。( I和J ) 通過幾何相位分析獲得的水平剪切應(yīng)變 (ε xy ) 圖，表明在 T1 中部分位錯(cuò)發(fā)射后，TB 扭結(jié)處的局部應(yīng)力集中釋放（由白色圓圈標(biāo)出）。( ?和L ) 與 T2 的成核和生長相關(guān)的扭結(jié)演化示意圖，這減少了整體邊界面積 (αβ' < αβ + ββ')。( M ) 不同特征高度的扭結(jié)和扭結(jié)遷移的位錯(cuò)發(fā)射能壘。( N ) T2 成核和生長時(shí) TB 扭結(jié)的過多能量。插圖分別展示了扭結(jié)傾斜和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變關(guān)鍵階段的原子勢能分布。比例尺，1 nm (A) 和 2 nm (E)。

圖 3。變形誘導(dǎo)的納米孿晶在低 SFE 的不同合金中的自倍增。

（A和B）Cu-7 at % Al 微柱中初級 TB 的二次孿晶。(A) 暗場 TEM 圖像顯示受原位微壓縮的 Cu-7 at % Al 柱。黃線和淺藍(lán)色箭頭分別表示初級和次級納米孿晶。(B) 放大圖像顯示接觸表面附近的廣泛二次孿生，這是從初級 TB 激活的。插圖選擇區(qū)域電子衍射圖案證實(shí)了兩個(gè)孿晶系統(tǒng)的共存。（C和D) 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)后 304L 奧氏體不銹鋼中 TB 引起的缺陷排放。(C) 主 TB 之間的二次滑動(dòng)（由淺藍(lán)色箭頭表示）的廣泛激活。(D) 次級納米孿晶從初級 TB 上的大扭結(jié)處成核，并從附近的小 TB 扭結(jié)處發(fā)射幾個(gè) SF（如箭頭所示）。（E和F）UFG CoCrFeMnNi HEA 在 77 K 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)后的分級納米孿晶（用淺藍(lán)色箭頭表示）。（E）透射菊池衍射圖像顯示變形形態(tài)中的二次納米孿晶（34）。插圖暗場 TEM 圖像顯示了從初級 TB 成核的次級納米孿晶。(F) UFG CoCrFeMnNi 合金在 293 和 77 K 下分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的應(yīng)變硬化率曲線。比例尺、100 nm（A 和 B）、20 nm（C）、10 nm（D）和 1 μm（E）。

圖 4。從有缺陷的結(jié)核病形成五倍雙胞胎。

（A和B）T3 從扭結(jié)界面的乘積（由白色虛線描繪）。(A) 帶有尾隨 SF 的 Shockley 部分。(B) 通過連續(xù)發(fā)射b 3部分形成和生長 T3 。（C和D）通過在 T2 內(nèi)乘以 T4（在晶體學(xué)方面相當(dāng)于 T1）形成四重孿晶結(jié)構(gòu)。(C) 部分b 4從 T3 和扭結(jié)界面之間的連接處成核。(D) 導(dǎo)致形成四重孿生的扭結(jié)界面的結(jié)構(gòu)演變。( E和F ) 通過連續(xù)發(fā)射b 5形成五重孿晶結(jié)構(gòu)TB交叉區(qū)域的部分和相關(guān)的結(jié)構(gòu)演變。插圖展示了五重孿晶的核心結(jié)構(gòu)和相鄰 TB 之間的二面角。( G ) MD模擬計(jì)算的不同階雙胞胎的過多能量。嵌入二階孿晶（即TB-GB 結(jié)構(gòu)）中的幾何必要GB 急劇增加了總過剩能量，而由于系統(tǒng)能量降低，進(jìn)一步的雙胞胎倍增是有利的。( H ) 不同TB-GB結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸依賴性過能量和向錯(cuò)模型預(yù)測的理想五重結(jié)構(gòu)孿晶。

我們在這項(xiàng)工作中的多尺度原位實(shí)驗(yàn)和模擬闡明了一種通過有缺陷的 TB 在各種金屬材料中增殖分層孿晶的內(nèi)置途徑。有缺陷的 TB 的關(guān)鍵作用及其對 SFE 的依賴可以激發(fā)對新熱處理或預(yù)應(yīng)變工藝的探索。此外，扭結(jié)運(yùn)動(dòng)和二次孿晶之間預(yù)期的取向相關(guān)競爭表明，具有低 SFE 的金屬材料具有固有的可調(diào)節(jié)變形能力，這可能有利于各向異性 NT 材料的設(shè)計(jì)。因此，這項(xiàng)工作中的發(fā)現(xiàn)為缺陷工程提供了啟示，以潛在地改善金屬材料的機(jī)械性能。