面心立方(FCC)金屬和合金普遍表現(xiàn)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(jié)合。在這些體系中，由于低溫、大應(yīng)變或高應(yīng)變速率條件下多個孿晶系統(tǒng)的激活，孿晶交互作用不可避免，導(dǎo)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(fā)馬氏體的形核點，對材料的強度、延性、應(yīng)變硬化和局部應(yīng)力集中或松弛等力學(xué)性能產(chǎn)生強烈影響。因此，對孿晶交叉區(qū)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(xué)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(yīng)變的貢獻一般相對較小，其對塑性應(yīng)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(nèi)，形變孿生在面心立方結(jié)構(gòu)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(tǒng)的研究，并觀察到孿晶-孿晶相互用作誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，如二次孿晶、層錯、固態(tài)非晶化和α'-馬氏體相變等，其可有效松弛局部應(yīng)力集中和容納應(yīng)變，進而顯著影響材料的宏觀力學(xué)性能。事實上，研究者在孿晶-孿晶相互用作誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變方面已開展了深入系統(tǒng)的研究，并聚焦于位錯反應(yīng)，闡明了微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機制。

來自東北大學(xué)、重慶大學(xué)、芬蘭國家技術(shù)研究中心、德國亞琛工業(yè)大學(xué)和日本東北大學(xué)的科研團隊，開展聯(lián)合研究，在原子尺度下系統(tǒng)研究了動載荷沖擊變形過程中孿晶-孿晶相互作用誘導(dǎo)的局部晶體轉(zhuǎn)動和ε-馬氏體相變，發(fā)現(xiàn)孿晶交叉區(qū)域依然是面心立方結(jié)構(gòu)，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(yīng)力集中大小。另外，研究發(fā)現(xiàn)孿晶交截區(qū)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(qū)域原子尺度微結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合位錯反應(yīng)能量計算，研究認為孿晶相互作用中應(yīng)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(guān)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(qū)域發(fā)生的新的應(yīng)力松弛機制。在原子尺度上對孿晶相互作用區(qū)進行詳細的微觀結(jié)構(gòu)表征的基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(dǎo)的微結(jié)構(gòu)演變對宏觀力學(xué)性能影響的實驗證據(jù)。

相關(guān)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(fā)表在金屬材料領(lǐng)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(qū)域的放大BF-TEM圖像。(b)右上方插入的是對應(yīng)的SADP，顯示了兩個孿晶系統(tǒng)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(qū)域。(a)和(b) T1孿晶同一區(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)。(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(qū)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(jié)構(gòu)。(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(qū)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(yīng)觀測區(qū)域的區(qū)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(jié)構(gòu)。(a) BF-TEM圖像，顯示交點區(qū)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(qū)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(yīng)的一維IFFT晶格條紋圖像。(g)中插入的是相應(yīng)區(qū)域的[011]區(qū)軸FFT模式。

圖6 孿晶交叉旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)伴有多種隨機斷裂結(jié)構(gòu)和孿晶，其形成與孿晶束密切相關(guān)。(e)相對于T1有~10°和~15°兩個偏差角的孿晶交叉，沿T2發(fā)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(fā)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(zhuǎn)和γ→ε相變原理圖。