1. 简介

变形孪晶在六方金属的强各向异性强度、低变形能力以及织构和微观结构演变中起着关键作用。因此，调整孪晶行为可能优化六方金属的力学性能。由于变形孪晶的传播和生长不可避免地会与其他塑性变形载体（如位错、堆垛层错和相变带）相互作用，我们假设降低基面堆垛层错能（SFE）可能促进部分位错的活性，从而产生基面堆垛层错（BSFs）甚至面心立方（fcc）相。基于第一性原理密度泛函理论计算，Al溶质可以降低Ti合金的基面SFE以及六方密排（hcp）和fcc相之间的内聚能差。通过变形Ti-10at.%Al合金的显微表征，我们发现降低基面SFE确实促进了hcp相Ti-10at.%Al合金在机械变形过程中形成大量的BSFs和fcc纳米带。这些缺陷限制了{1012}变形孪晶的传播和生长。更重要的是，BSFs和fcc纳米带在孪晶过程中从孪晶界被激活，钉扎了变形孪晶。因此，Ti-10at.%Al合金中的变形孪晶平均厚度约为130 nm，远小于纯Ti和其他具有相似晶粒尺寸和应变条件下的Ti合金中的孪晶。此外，BSFs和fcc纳米带在孪晶-孪晶相互作用过程中被激活，释放了局部应力/应变集中。通过拓扑模型和原子模拟，我们进一步探讨了变形孪晶与预先形成的BSFs或fcc纳米带之间的相互作用机制，以及孪晶界发射BSFs和fcc纳米带的机制。这项工作为理解降低基面SFE对六方金属中孪晶行为的影响提供了新的见解。

2. 文章亮点

1. 降低基面堆垛层错能（SFE）促进缺陷形成
通过第一性原理计算和实验验证，发现Al溶质可显著降低Ti合金的基面SFE及hcp与fcc相的内聚能差，从而在变形过程中诱导大量基面堆垛层错（BSFs）和fcc纳米带的形成，为调控孪晶行为提供了新途径。

2. 缺陷动态钉扎抑制孪晶生长
实验观察到BSFs和fcc纳米带在孪晶界处动态发射，通过钉扎效应限制{1012}孪晶的传播与增厚，使Ti-10at.%Al合金中孪晶平均厚度（~130 nm）远低于纯Ti及其他Ti合金，实现了超细孪晶结构的可控设计。

3. 应力释放新机制缓解局部应变集中
揭示了孪晶-孪晶相互作用中BSFs和fcc纳米带的激活机制，这些缺陷通过相变和位错发射有效释放局部应力/应变集中，为六方金属的塑性变形提供了除裂纹萌生外的新缓解策略。

3. 研究背景

钛（Ti）合金因其轻质高强、优异的耐腐蚀与抗断裂性能以及良好的生物相容性，被广泛应用于航空航天、化工和医疗植入领域。变形孪晶作为六方密排（hcp）结构钛合金的重要变形机制之一，具有以下特征：孪晶剪切方向单一，低剪切应力下易引发局部剪切变形并导致力学失稳。轧制六方金属板材通常呈现晶体c轴沿板面法向择优排列的织构特征，其流变应力在面内与厚度方向表现出显著各向异性。此外，孪晶聚集会提高硬化率并促进晶粒微观结构的连续演化。在循环加载或应变路径变化中，孪晶相互作用形成孪晶-孪晶连接点，进而影响二次孪晶、去孪晶及裂纹行为。因此，变形孪晶对六方金属的强各向异性强度、低变形能力及织构/微观结构演变具有关键作用。

调控孪晶行为可有效优化六方金属的力学性能。孪晶过程包括形核、扩展和生长三个阶段：形核需多个孪晶位错或高度为多原子层的孪晶断开（TDs）在孪晶面上协同滑移，或特定体积原子的协同重组。尽管已有通过高温加工、合金化、晶粒细化和弱化织构等方法抑制孪晶形核的研究，但其机制尚不明确。相比之下，孪晶扩展与生长通过TDs在孪晶界（TB）的形核和滑移实现。实验与密度泛函理论（DFT）计算表明，溶质原子偏聚至TB会强烈钉扎其迁移，从而强化材料。

在孪晶扩展与增厚过程中，TDs常堆积形成台阶或刻面（如棱柱-基面/基面-棱柱（PB/BP）台阶见于{1012} TB，锥面-基面/基面-锥面（PyB/BPy）台阶见于{1011}和{1122} TBs）。这些台阶的迁移显著影响孪晶行为。Xu等在钛合金冲击加载中发现{1012}次级孪晶沿{1121}初生孪晶台阶形成，有效抑制了初生孪晶增厚。常规加载下，台阶迁移会通过发射基面位错释放应力/应变集中。若基面堆垛层错能（SFE）降低，发射的位错可能为不全位错，连续发射则导致高密度基面堆垛层错（BSFs）或面心立方（fcc）相变。这些新缺陷可能钉扎TB并影响孪晶生长，这启发了本研究——探索降低基面SFE对孪晶行为的影响。

铝（Al）作为钛合金的主要合金元素，可通过调节不同滑移系的临界分切应力（CRSS）、SFE及孪晶活性来优化性能。在α-TiAl体系中，实验与DFT均证实Al能显著降低Ti的基面SFE。此外，Ti-Al多层膜中频繁观察到fcc相Ti，表明微量Al可能促进hcp→fcc相变。因此，本研究通过表征Ti-10at.%Al合金的变形机制，结合显微分析与原子模拟，阐明添加10at.% Al可降低基面SFE及hcp/fcc相内聚能差，促进变形中大量BSFs和fcc纳米带的形成。这些缺陷将约束{1012}孪晶的扩展与增厚，形成超细孪晶结构，并通过释放孪晶相互作用区域的应力/应变集中，为六方金属的孪晶调控提供新策略。

4. 图文解析

5. 文章结论

变形孪晶在六方金属的各向异性强度、低变形能力以及织构和微观结构演变中起着关键作用。通过降低基面堆垛层错能（SFE），我们提出了一种调控孪晶行为的新策略。基于第一性原理密度泛函理论计算，Al溶质能够显著降低Ti合金的基面SFE以及六方密排（hcp）与面心立方（fcc）相之间的内聚能差。通过显微表征变形后的Ti-10at.%Al合金，我们发现降低基面SFE确实促进了hcp相Ti-10at.%Al合金在机械变形过程中形成大量的基面堆垛层错（BSFs）和fcc纳米带。这些缺陷有效约束了{1012}变形孪晶的传播和生长。更重要的是，BSFs和fcc纳米带在孪晶过程中从孪晶界被激活，动态钉扎了变形孪晶，导致Ti-10at.%Al合金中的变形孪晶平均厚度仅为~130 nm，远低于纯Ti及其他具有相似晶粒尺寸和应变条件下的Ti合金中的孪晶。此外，BSFs和fcc纳米带在孪晶-孪晶相互作用过程中被激活，释放了局部应力/应变集中。通过拓扑模型和原子模拟，我们进一步揭示了变形孪晶与预先形成的BSFs或fcc纳米带之间的相互作用机制，以及孪晶界发射BSFs和fcc纳米带的机制。

本研究不仅阐明了降低基面SFE对六方金属中孪晶行为的影响机制，还为通过调控基面SFE优化材料性能提供了新思路。具体而言，降低基面SFE促进了部分位错的活性，进而形成BSFs和fcc纳米带，这些缺陷通过钉扎效应抑制孪晶的传播与增厚，最终形成超细孪晶结构。同时，BSFs和fcc纳米带的动态激活为缓解孪晶相互作用区域的应力集中提供了除裂纹萌生外的替代途径。这项工作为理解六方金属中缺陷与孪晶的协同作用提供了重要见解，并为设计高性能六方金属材料提供了理论指导。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.183105