面心立方(FCC)金屬和合金普遍表現為機械孿晶塑性變形模式，通常具有高抗拉強度和高塑性的結合。在這些體系中，由于低溫、大應變或高應變速率條件下多個孿晶系統的激活，孿晶交互作用不可避免，導致孿晶交叉的形成。在變形過程中，孿晶交叉的形成和演化通過與位錯的相互作用而成為變形誘發馬氏體的形核點，對材料的強度、延性、應變硬化和局部應力集中或松弛等力學性能產生強烈影響。因此，對孿晶交叉區域的表征和對其形成機制的進一步研究，進而探究其對材料的力學性能的影響具有廣泛的研究意義。

眾所周知，超低溫條件下，孿生系的充分激活往往意味著更高的沖擊韌性，說明形變孿生對低溫沖擊韌性的貢獻是顯著的，但孿晶本身對塑性應變的貢獻一般相對較小，其對塑性應變的貢獻主要在于位錯-孿晶和孿晶-孿晶間的相互作用。在一定的層錯能范圍內，形變孿生在面心立方結構金屬和合金中是常見的。近年來，基于實驗觀察和模擬，研究者對位錯-孿晶和孿晶-孿晶間的相互作用進行了大量深入系統的研究，并觀察到孿晶-孿晶相互用作誘導的微結構轉變，如二次孿晶、層錯、固態非晶化和α'-馬氏體相變等，其可有效松弛局部應力集中和容納應變，進而顯著影響材料的宏觀力學性能。事實上，研究者在孿晶-孿晶相互用作誘導的微結構轉變方面已開展了深入系統的研究，并聚焦于位錯反應，闡明了微結構轉變機制。

來自東北大學、重慶大學、芬蘭國家技術研究中心、德國亞琛工業大學和日本東北大學的科研團隊，開展聯合研究，在原子尺度下系統研究了動載荷沖擊變形過程中孿晶-孿晶相互作用誘導的局部晶體轉動和ε-馬氏體相變，發現孿晶交叉區域依然是面心立方結構，但相對于先形成的孿晶存在~0-15o的取向差，取向差取決于局部應力集中大小。另外，研究發現孿晶交截區域相鄰處存在ε-馬氏體，且其可沿著T1或T2兩個方向長大并呈楔形。基于孿晶交截區域原子尺度微結構特征，并結合位錯反應能量計算，研究認為孿晶相互作用中應力的傳遞主要是通過全位錯的滑移。基于ε-馬氏體與基體和孿晶間的取向關系，進一步討論了可能的ε-馬氏體相變機制。

本研究確定了一種在孿晶交點區域發生的新的應力松弛機制。在原子尺度上對孿晶相互作用區進行詳細的微觀結構表征的基礎上，討論了孿晶傳遞和相互作用的基本位錯機理。該研究促進了對孿晶交叉旋轉和孿晶相互作用下ε-馬氏體相變的認識，提供了孿晶-孿晶相互作用誘導的微結構演變對宏觀力學性能影響的實驗證據。

相關研究成果以題為“Atomic-scale understanding of twin intersection rotation and ε-martensite transformation in a high Mn twinning-induced plasticity steel”發表在金屬材料領域期刊Acta Materialia上。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119832

圖1 變形孿晶的TEM圖像。(a)沿[011]帶軸的BF-TEM圖像。(b) (a)中紅色矩形所包圍區域的放大BF-TEM圖像。(b)右上方插入的是對應的SADP，顯示了兩個孿晶系統的激活。(c)和(d)分別由(111)T1和(111)T2反射得到的DF-TEM圖像。

圖2 典型的孿生交點區域。(a)和(b) T1孿晶同一區域的BF-TEM圖像，分別為黑色和灰色對比。(c)厚T2孿晶的BF-TEM圖像。(d)靠近雙交叉點的楔形區域BF-TEM圖像。

圖3 沿[110]方向觀察，相對于T1的偏差角為~0°的孿晶交叉結構。(a) BF-TEM圖像，一個孿晶穿過另一個孿晶。(b)為(a)中白色矩形包圍區域的放大BF-TEM圖像，在雙相交處顯示出明顯的對比度變化，由白色箭頭指出。

圖4 沿[110]方向觀察，相對于T1的偏差角為~5°的孿晶交叉結構。(a) BF-TEM圖像，顯示低倍率雙交叉點與厚T2。(b)、(d)和(f)分別為(a)中虛點矩形I-III所包圍區域的HRTEM圖像。(c)和(e)分別為(b)和(d)的一維IFFT晶格條紋圖像，通過選擇(111)T1和(111)T1反射來重建。(b)、(d)和(f)中的插圖是相應觀測區域的區軸FFT模式[110]。

圖5 沿[110]方向觀察，相對于T1的偏差角為~12°的孿晶交叉結構。(a) BF-TEM圖像，顯示交點區域的對比度與相鄰的T1、T2和T2′不同。(b) SADP的示意圖，在孿晶交點處顯示了一個新的晶體取向。(c) - (f)分別使用(b)中白線圈出的反射1-4獲得的DF-TEM圖像。(g)和(h)分別選取(A)中紅色點矩形A包圍區域的(111)T1和(111)T1以及(111)TI和(111)TI反射重建的HRTEM圖像和相應的一維IFFT晶格條紋圖像。(g)中插入的是相應區域的[011]區軸FFT模式。

圖6 孿晶交叉旋轉與ε-馬氏體相變示意圖。(a) - (c)薄型、中厚型和厚型T2相對于T1的偏差角分別為~0°、~5°和~ 12°的雙交點。(d)孿晶交叉旋轉伴有多種隨機斷裂結構和孿晶，其形成與孿晶束密切相關。(e)相對于T1有~10°和~15°兩個偏差角的孿晶交叉，沿T2發生ε-馬氏體相變。連接ε-馬氏體的部分偏差較大，約為15°。(f)相對于T1有較大的~15°偏差角，沿T1方向發生ε-馬氏體相變。

圖7 孿晶(T)均勻剪切、T/2均勻剪切、孿晶交叉旋轉和γ→ε相變原理圖。