鈦（Ti）合金由于重量輕，強度高，耐腐蝕性和抗斷裂性以及出色的生物相容性，廣泛用于航空航天工程，化學工業和醫療植入。 變形孿晶是Ti合金中對應于六方緊密堆積（hcp）結構的重要變形機理。在六邊形材料中孿晶具有幾個特征。孿生是單向的，具有獨特的剪切感。與孿生相關的局部剪切變形發生在低剪切應力下，并導致機械不穩定。軋制的六邊形金屬板通常表現出特征性的紋理成分，晶體c軸優先沿板的法線方向對齊。流動應力演化在面內和貫穿厚度方向之間表現出很強的各向異性。除了導致大多數晶粒的重新定向外，聚集孿晶還顯示硬化速率增加，晶粒微觀結構隨著變形而不斷演變。在循環加載或應變路徑變化期間，孿生與孿生相互作用，導致形成孿生結，進一步影響連續孿生、二次孿生、解孿晶和開裂。因此，變形孿晶對六方金屬的各向異性強度強、變形性差、織構和微觀結構演化起著至關重要的作用。

修改孿晶行為可以有效地調整六方金屬的機械行為。孿生涉及三個過程：成核、繁殖和生長。孿生成核涉及在孿生平面上同時成核和滑行多個孿生位錯或斷開（高度為多個原子平面的TDs）或同時洗牌一定體積的原子。盡管已經提出了幾種方法來減少孿晶，例如在高溫下加工，與適當的元素進行合金化，細化晶粒尺寸和削弱織構，但潛在的機制尚不清楚。相比之下，變形孿生體的傳播和生長是通過與原子洗牌相關的孿生邊界（TB）上的TD成核和滑行來實現的。實驗觀察和密度泛函理論（DFT）計算表明，溶質原子可以偏聚成TB，對TBs的遷移產生強烈的固定作用，并相應地強化材料。

在變形孿晶的傳播和增厚/生長過程中，TD經常堆積起來，形成原子模擬和實驗中觀察到的步驟或刻面。例如，沿{101—2} TB 和金字塔-基底/基底-錐體（PyB/BPy）步驟/刻面（金字塔平面在兩個顆粒中平行于基底平面）與{101—1}和 {112—2} TB 。這些步驟/面的遷移或滑動在很大程度上影響變形孿晶的傳播和增厚。最近，Xu等人觀察到{101—2} 順序孿生以及 {112—1} 孿生，即沿主孿生體 {112—1} 根據承受沖擊載荷的鈦板的電子背散射衍射（EBSD）表征。更重要的是，這些順序雙胞胎有效地抑制了原代雙胞胎的增厚。即使在常規載荷下，這些步驟的遷移通常也會激活基底平面上的位錯發射以釋放應力/應變濃度。如果基底SFE降低，發射的位錯可能是部分位錯，部分位錯的連續發射可能導致高密度基底堆積斷層（BSF）或相變為面心立方（fcc）結構。與孿生繁殖相關的新形成的BSF和FCC結構可以固定TB并影響孿生增厚/生長。這啟發了中南大學粉末冶金國家重點實驗室等團隊的研究，即降低基礎SFE對孿生行為的影響。

Al是商用Ti合金中的主要合金元素，因為Al溶質可以定制與不同滑移系統，SFE和孿生活動相關的位錯的臨界解析剪切應力（CRSS）。在α-TiAl體系中，實驗和DFT計算證明Al溶質可以有效降低Ti的基礎SFE。此外，在Ti-Al多層層中經常觀察到fcc相Ti，這意味著少量Al溶質可能促進hcp到fcc相轉化。 因此，通過合金化Al將促進Ti合金中BSF和fcc納米帶的形成。

在這項工作中，中南大學宋旼教授團隊表征了Ti-10at.%Al合金的變形機理。通過結合顯微鏡表征和原子建模，我們證明了通過在Ti中合金化10at.%Al來降低HCP和fcp相之間的基礎SFE和內聚相能差，可以促進變形過程中大量BSF和fcc納米帶的形成。因此，這些晶體學缺陷有效地限制了{101—2}變形孿晶，導致Ti-Al合金中的超細鱗片變形孿晶。此外，BSFs和fcc納米帶的容易形成可以有效地放松與雙胞胎相互作用相關的局部應力/應變濃度。相關研究成果以題“Influence of lowering basal stacking fault energy on twinning behaviours”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422010126

圖 1

（a） 退火Ti-10at.%Al合金的EBSD圖案;（b） 退火的 Ti-10at.%Al 合金的 XRD 圖譜。

圖 2

（a） 用于DFT計算的純Ti、Ti-5at.%Al和Ti-10at.%Al合金的HCP超級電池;（b） HCP、FCC 和 BSF 超級單體沿 [112—0] 方向;（c）隨著Al含量的增加，HCP和FCC結構之間基礎SFE和內聚能差異的變化;（d） HCP和BSF的MS/MD模擬模型;（e） 沿[101—0]方向為純鈦，Ti-5at.%Al和Ti-10at.%Al合金。誤差線表示由Al原子的不同分布引起的值波動

圖 4

（a） 統計分析{101—2}Ti-10at.%鋁合金變形后的雙厚度;（b） Ti-10at.%Al合金與純Ti和其他Ti合金中孿生合金的平均孿生厚度比較。

圖 5

（一、三）TEM明場圖像和（b，d）相應的HRTEM圖像{101—2}Ti-10at.%Al合金變形后的雙胞胎。

圖 6

HRTEM圖像{101—2}雙胞胎、FCC 納米帶和 BSF/BP/PB 步長處的部分位錯：（a-b）{101—2}與基質中的FCC納米帶孿生;（中）{101—2}與BSF和基質中的部分位位孿生

圖 8

（一、三）透射電鏡明場圖像{101—2}雙結結和（b，d）相應的HRTEM圖像，顯示FCC納米帶，BSF和部分位錯。

總之，本研究系統的研究了降低基底堆積故障能量對孿生行為的影響，并得出以下結論：

利用Ti-10at.%Al合金研究了降低基礎SFE對六方金屬孿晶行為的影響。DFT計算和顯微鏡表征表明，合金化Al元素降低了HCP和FCC結構之間的基底SFE和內聚能差，促進了在變形過程中孿晶之前與fcc納米帶相關的高密度BSFs的形成，從而有效抑制了FCC納米帶的傳播和生長。此外，BSF和fcc納米帶可以在孿晶繁殖和雙孿生相互作用過程中沿TBs在BP/PBs步階上成核，放松應力/應變集中并固定TBs。孿晶前的BSF/fcc納米帶和孿生過程中成核的BSF/fcc納米帶協同約束孿晶，導致Ti-10at.%Al合金中超細鱗片變形孿生。這項工作為理解降低基礎SFE對六方金屬孿生行為的影響提供了見解。