1. 简介
维持晶界（GB）塑性对于防止六方紧密堆积（HCP）材料在塑性变形过程中过早发生晶界开裂至关重要。
本文通过原子分辨率观察和晶体学分析，研究了循环变形条件下HCP镁合金中晶界的原子结构及其变形模式，包括运动、孪晶形核、位错发射和分解。研究发现，对称倾侧晶界（STGBs）除了迁移和滑移外，倾向于形成局部刻面，从而产生平行于{1012}晶面的不对称倾侧低角晶界（LAGBs）或锯齿状不对称倾侧高角晶界（HAGBs）。晶体学分析表明，这些不对称倾侧晶界的局部刻面通常平行于相邻晶粒的{1012}面、基面和/或棱柱面。
有趣的是，大量{1012}孪晶胚胎和再结晶纳米晶粒从不对称倾侧晶界的局部刻面形核，并伴随基面a位错阵列的发射。沿倾侧LAGB的{1012}孪晶片层可以通过孪晶胚胎的合并形成，也可以通过再结晶纳米晶粒的组合形成，随后从晶界的三叉结点发生{1012}孪晶形核并生长。此外，孪晶片层还可以通过一个倾侧LAGB分解为两个倾侧HAGBs，随后从HAGBs和晶界三叉结点发生{1012}孪晶形核而形成。
重要的是，上述晶界变形模式的激活能够释放晶界处的局部应力集中，维持晶界介导的塑性能力，从而在HCP材料的塑性变形和力学性能中发挥关键作用。
2. 文章亮点
1. 晶界局部刻面介导的孪晶形核机制
首次通过原子分辨率观察揭示了对称倾侧晶界（STGBs）在循环变形中形成局部刻面，平行于{1012}晶面，并直接诱发{1012}孪晶胚胎形核，为HCP材料孪晶起源提供了新证据。
2. 低角晶界分解与孪晶片层形成的多路径机制
提出三种孪晶片层形成路径：孪晶胚胎合并、再结晶纳米晶组合、以及倾侧LAGB分解为两个HAGBs后孪晶形核，拓展了晶界塑性调控的理论框架。
3. 溶质偏聚与位错协同的晶界应力释放
发现Gd/Y溶质偏聚抑制晶界迁移的同时，促进基面a位错阵列发射，有效缓解局部应力集中，为设计高塑性镁合金提供了新思路。
3. 研究背景
镁合金因其轻量化和高能效特性，在航空和汽车领域具有重要应用潜力。然而，六方紧密堆积（HCP）结构的镁合金通常表现出较差的延展性，这归因于其最易滑移系统（即基面a滑移）仅能提供两个独立的滑移系。为改善镁合金的延展性，研究者已通过多种途径展开探索，包括激活变形孪晶和/或锥面滑移、晶粒细化以及织构调控。
晶界（GBs）作为缺陷源，能够激活滑移位错和变形孪晶，对HCP材料的力学性能具有重要影响。然而实验观察发现，裂纹常优先在晶界和孪晶界（TBs）（尤其是三叉晶界）形核，并沿GBs/TBs扩展，可能导致HCP材料的灾难性失效。这种晶界开裂行为与HCP材料因塑性各向异性导致的局部应力集中密切相关。因此，亟需阐明晶界处的塑性弛豫机制，以释放局部应力集中，从而抑制晶界过早开裂并提升HCP材料的延展性。
晶界的原子结构及其变形行为是理解金属材料塑性变形、断裂和强韧化机制的关键。目前，立方结构材料中已广泛研究晶界运动、孪晶形核和解离等变形模式，以维持塑性变形过程中的晶界塑性。例如，纳米金双晶中通过变形孪晶动态调控晶界迁移能力，从而增强塑性。相比之下，HCP材料因六方结构表现出更强的塑性各向异性，激活晶界变形模式对释放局部应力集中和维持晶界介导的塑性能力更为迫切。
研究表明，HCP材料中对称倾侧低角晶界（LAGBs）和共格孪晶界（CTBs）的运动常通过与入射位错的反应实现。此外，高角晶界（HAGBs）的形成与运动通常涉及变形金属的动态再结晶过程，可生成细小的再结晶晶粒以恢复延展性。值得注意的是，通过剧烈塑性变形（如旋转锻造、轧制、多向锻造和搅拌摩擦加工）激活大量{1012}变形孪晶和/或位错，可高效细化镁合金晶粒（附表S1和S2）。统计数据显示，Zr、Ti和Mg中{1012}变形孪晶倾向从LAGBs形核。先前研究认为，镁合金的晶粒细化主要源于动态再结晶，这与孪晶演化、孪晶-孪晶交互和孪晶-位错反应相关。然而，塑性变形过程中微裂纹仍偏好于三叉晶界形核并沿晶界扩展，因此有必要通过原子尺度研究揭示镁合金中晶界介导的塑性机制及其作用。
4. 图文解析
(a-i)至(a-iii)显示LAGB的一段通过晶界运动与相邻晶粒的{1012}面平行，成为局部应力集中下孪晶形核的潜在位点。(b) 对称倾侧高角晶界(STGB, θ>15°)局部刻面处孪晶胚胎形核示意图。(b-ii)显示STGB倾向于形成平行于(0001)面的锯齿状界面，(b-iii)显示这些刻面通过发射由基面a位错组成的倾斜LAGB实现孪晶形核。图中：STGBs和TBs分别用黑色和红色实线标示，基面用黑色虚线表示，红色和蓝色阴影代表不同变体的孪晶胚胎。
显示平行于相邻晶粒{1012}面的不对称倾侧LAGB通过晶界解离和位错发射序列形成孪晶片层。(b) 再结晶纳米晶沿倾斜LAGB形核并合并为类孪晶片层，随后从晶界三叉结点形核并生长为完整孪晶片层。黄色和绿色阴影标示不同取向的再结晶纳米晶。(c) 孪晶胚胎链从倾斜LAGB形核、合并为孪晶片层并生长的过程。
5. 文章结论
本研究通过原子分辨率Z衬度技术系统研究了循环变形条件下Mg-Gd-Y合金中晶界的原子结构及其变形模式。主要发现如下：
首先，对称倾侧晶界（STGBs）除了迁移和滑移外，倾向于形成平行于{1012}晶面、基面或棱柱面的局部刻面，从而产生不对称倾侧低角晶界（LAGBs）或锯齿状高角晶界（HAGBs）。这些局部刻面为{1012}孪晶胚胎的形核提供了优选位点。值得注意的是，溶质偏聚（如Gd/Y）可抑制晶界迁移，但同时促进基面a位错阵列的发射，这种协同效应有效缓解了局部应力集中。
其次，我们揭示了沿倾斜LAGBs的{1012}孪晶片层形成的三种可能机制：（1）相邻{1012}孪晶胚胎通过合并形成；（2）再结晶纳米晶粒组合后从晶界三叉结点形核并生长；（3）一个倾斜LAGB分解为两个倾斜HAGBs后，从HAGBs和晶界三叉结点发生孪晶形核。这些过程均涉及孪晶-孪晶相互作用、晶界解离和位错反应等复杂协同机制。
最后，晶界变形模式（如迁移、局部刻面化、孪晶形核和位错发射）的激活能够动态调节晶界塑性能力。这种能力对于释放HCP材料塑性变形过程中的局部应力集中至关重要，从而抑制晶界过早开裂并提升延展性。本研究为理解镁合金中晶界介导的塑性机制提供了原子尺度见解，对开发高塑性镁合金具有重要指导意义。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120210
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《河北工业大学《Acta Mater》揭示镁合金晶界分解诱发孪晶的原子机制》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/-zINI49NFFAkcJ4DYs5rfw
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