1. 简介
在面心立方（FCC）金属中引入可控密度的共格孪晶界（CTBs）是提高强度-延展性积的有效途径。然而，纳米孪晶FCC金属中常见的单臂位错源（SASs）与CTB相互作用的微观机制仍不明确。
本研究通过定量原位透射电子显微镜（TEM）对亚微米镍双晶样品在拉伸载荷下的相互作用机制进行观察，并结合大规模三维原子尺度模拟分析。
结果表明，CTB对弯曲螺位错的吸收会导致孪晶界面上形成收缩节点，这些节点连接成对的孪晶位错。节点的存在促使孪晶位错对协同运动，从而引发独特的CTB滑移机制，该机制在CTB台阶处启动断裂过程中起关键作用。
此外，非螺位错与CTB相互作用的TEM观察表明，在微小体积内发生相互作用时，CTB的排斥力与SASs的背应力之间的协同效应至关重要。
本研究揭示了弯曲螺位错与CTB的相互作用从滑移传递到吸收的动态转变过程，并阐明了收缩节点形成及CTB滑移的原子机制，为优化纳米孪晶金属力学性能提供了重要实验依据。
2. 文章亮点
1. 弯曲螺位错与共格孪晶界（CTB）相互作用的动态机制揭示
通过定量原位TEM观察结合3D原子模拟，首次发现弯曲螺位错被CTB吸收时形成收缩节点，连接成对孪晶位错。这种节点促使孪晶位错协同滑移，触发独特的CTB滑移机制，阐明了断裂过程在CTB台阶处启动的原子级机理。
2. 收缩节点形成过程的实验与模拟验证
在TEM实验中直接观测到CTB界面收缩节点的形成，并通过大规模3D-MD模拟复现其动态过程。该节点是位错吸收与传递竞争的结果，为纳米孪晶金属中位错/CTB相互作用提供了首个实验-计算联合验证的定量证据。
3. 非螺位错与CTB的协同排斥-背应力效应
发现微小体积内非螺位错与CTB相互作用时，CTB的排斥力与单臂位错源（SASs）的背应力存在协同效应。该效应导致位错在CTB处反射并最终湮灭，揭示了微观尺度下应力耦合对位错行为的调控机制。
3. 研究背景
自FCC金属中孪晶现象的早期观察以来，∑3{111}型CTB与位错的相互作用已被广泛研究。
研究表明，当引入高密度固有孪晶时，多晶FCC金属的韧性（即强度-延展性积）可显著提升，这表明CTB既能作为位错滑移的屏障（提高强度），又能在特定条件下允许滑移传递和新位错生成（增强延展性）。
这一发现推动了通过电子显微镜实验和原子模拟研究位错与CTB相互作用的广泛探索。然而，尽管研究深入，控制CTB处反应机制的基本过程仍存在争议。堆垛层错能（SFE）、入射位错的类型、长度和曲率、CTB的镜像力以及加载条件等参数均可能影响位错被吸收或传递的路径及其具体机制。
另一方面，对位错/CTB相互作用进行定量原位表征仍面临重大实验挑战。文献中已使用非原位透射电子显微镜（TEM）和常规原位TEM变形实验研究位错与CTB的相互作用，但这些研究因缺乏力传感能力而无法提供相互作用的定量信息。
近年来，原位纳米力学测试技术的进步使得基于聚焦离子束（FIB）制备的双晶微/纳米柱（含单一∑3{111} CTB）的定量表征成为可能。
然而，尽管微拉伸法可克服微柱压缩实验的缺陷（如基底变形和柱顶与压头间的横向约束），关于无FIB缺陷双晶样品的定量原位TEM拉伸测试仍未见报道。主要问题在于FIB诱导的缺陷可能显著影响位错/CTB相互作用机制。
本研究通过定量原位TEM拉伸测试，结合大规模三维原子模拟，揭示了镍双晶样品中弯曲螺位错与∑3{111} CTB的相互作用机制。为避免FIB损伤，样品经电解抛光后通过TEM原位退火处理，并通过精确控制热处理参数保留少量位错。实验采用商用PI95 PicoIndenter TEM支架和硅基Push-to-Pull（PTP）装置实现亚微米样品的定量变形。结果表明，CTB对弯曲螺位错的吸收导致孪晶界面形成收缩节点，引发独特的CTB滑移机制，并阐明了其在CTB台阶处启动断裂的关键作用。此外，非螺位错与CTB的相互作用揭示了微小体积内排斥力与背应力的协同效应，为优化纳米孪晶金属力学性能提供了新见解。
4. 图文解析
a 扫描电镜（SEM）图像显示样品安装在推拉（PTP）装置上（详见”方法”部分及补充信息）。b 变形前的明场TEM图像（对应a中白色方框和箭头）。白色圆圈标记了孪晶界台阶位置，作为图2的参考。白色箭头指示单臂位错源SAS1和SAS2，黑色箭头显示CTB处的台阶位置。c 晶粒A（黑色）和B（红色）的叠加立体投影图，蓝色虚线标记CTB平面（111）或（111）。d 两晶粒滑移系统的Schmid因子值，黑色和红色箭头分别对应晶粒A和B中Schmid因子最高的滑移面。
补充视频1中循环2的连续快照，展示SAS1的动态行为：a 激活前，b-d 变形过程中不同时间点的状态。黄色（白色）箭头标记晶粒A（晶粒B）中新形成的滑移迹线（ST）。b中红色线段显示两晶粒ST的关联（示意图见e）。红色箭头指示CTB处的条纹状对比度，表明位错被CTB吸收（示意图见f）。白点标记作为参考的孪晶界台阶位置。
a-b 循环4后的明场TEM图像，显示CTB吸收螺位错后形成的孪晶位错排列。绿色箭头标记SAS1和SAS2产生的滑移迹线，黄色箭头标记衍射矢量，红色箭头显示晶粒B传递后的滑移迹线，白色箭头为退火残留的固定位错。b中白线框内为孪晶位错排列。c 断裂后的明场TEM图像，黑色箭头指示收缩节点，白线显示孪晶位错排列。d 弯曲螺位错吸收机制的示意图：收缩节点沿CTB平面同向滑移并通过低激活能反向运动。e 断裂位置（黑色箭头）及其局部放大图（插图显示CTB台阶处孪晶位错累积）。
Z轴拉伸下收缩节点形成的动态序列（补充视频4）。螺位错分量的分切应力σ_rss_screw=204±5 MPa，低于传递临界应力。a 入射晶粒中扩展的螺位错；b 与CTB接触后形成完整螺位错；c CTB平面与孪生晶粒滑移面的吸收-传递竞争；d-e 孪生晶粒交叉滑移核再吸收导致收缩节点形成，黑色方框放大图显示节点为跨越CTB的三原子台阶；f 模拟节点（e）与实验观察节点（图3c黑箭头）对比（原子按CNA分析着色，仅显示非FCC原子）。
a-c 循环3中非螺位错与CTB相互作用的连续快照（补充视频3）：红色（白色）箭头标记位错源（入射位错）位置，显示位错在CTB处反射及湮灭过程；d 卸载后位错回退至SAS3的最终构型（示意图见右侧）。该现象源于CTB排斥力与位错源背应力的协同效应。
5. 文章结论
通过镍双晶样品的定量原位透射电子显微镜（TEM）拉伸实验，本研究揭示了单轴拉伸方向平行的∑3{111}共格孪晶界（CTB）与位错相互作用的基本机制。
实验结果表明：由单臂位错源（SASs）产生的弯曲螺位错与CTB相互作用时，滑移传递会快速转变为位错吸收。吸收过程导致CTB平面上形成连接成对解离孪晶位错（TDs）的收缩节点，该现象与大规模三维分子动力学（3D-MD）模拟结果完全一致。
节点的存在使解离位错在滑移过程中保持配对状态，从而触发CTB滑移机制。断裂发生在CTB台阶处，其原因为解离配对位错在该处的累积及伴随的CTB滑移机制。
此外，在高应力水平下观察到非螺位错在CTB处的反射现象，随后位错与SAS发生湮灭，这凸显了微小体积内相互作用时CTB排斥力与SAS背应力协同效应的重要性。
本研究提供的局部信息可用于多尺度建模方法，指导含纳米级CTB的高密度孪晶面心立方金属力学性能的优化设计。所采用的实验方法为定量研究位错与其他类型结构界面相互作用的机制开辟了新途径。
全文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21296-z
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《原位TEM技术突破！Nat. Commun.揭示非螺位错与孪晶界协同排斥效应》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/IfQwx8V2quxm2IkvKvemAA
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