1. 简介

本研究探讨了孪晶-孪晶相互作用对镁合金中局部缺陷（如位错）和应力场分布的影响。通过透射电子显微镜（TEM）分析了变形Mg-3wt.%Y合金中的共轴（1012）-（1012）拉伸孪晶交界处。结果表明，撞击（1012）孪晶的形貌呈不对称性，而受体（1012）孪晶的非相互作用边界呈现不规则性。TEM图像的详细分析显示，II型锥面1213位错集中在孪晶-孪晶交界处附近。相同的〈c+a〉位错也存在于相互作用的孪晶域内，并伴有少量〈a〉位错。从撞击（1012）孪晶边界发出的〈c+a〉位错具有刃型特征，且沿基面平行方向扩展并伴有层错；而受体（1012）孪晶连接的〈c+a〉位错主要为螺型且结构紧凑。

基于弹粘塑性快速傅里叶变换的晶体塑性计算被用于解释观察到的孪晶形貌和局部位错分布。模型计算表明，两个孪晶相遇的交界处产生的局部应力场是实验中观察到的〈c+a〉位错集中的原因。计算得到的应力场相对于交界处呈不对称分布，这解释了撞击孪晶的形貌不对称性。总体而言，这些发现揭示了孪晶-孪晶相互作用对位错分布及孪晶微观结构演变的显著影响，有助于深化对镁合金中孪晶行为及其力学性能影响的理解。

2. 文章亮点

1. 揭示孪晶-孪晶相互作用导致的局部硬化机制
通过TEM观察和晶体塑性模拟，首次发现共轴{1012}拉伸孪晶交界处会诱发II型锥面〈c+a〉位错的局部富集，导致不对称孪晶形貌和界面位错分布差异，阐明了孪晶相互作用对局部硬化的直接影响。

2. 发现Y元素对位错行为的独特调控作用
在Mg-3wt.%Y合金中，Y的添加显著促进〈c+a〉位错在孪晶界和基体中的活动，并抑制基面〈a〉位错，揭示了稀土元素通过降低层错能选择性激活非基面滑移的机制。

3. 建立孪晶-孪晶交界应力场的定量模型
基于EVP-FFT晶体塑性计算，首次量化了孪晶交界处的不对称应力场分布，解释了实验中观察到的〈c+a〉位错富集和孪晶形貌不对称性，为理解HCP金属孪生行为提供新理论工具。

3. 研究背景

镁及其合金因其低密度和高比强度，成为许多工程应用的理想材料。镁的六方紧密堆积（HCP）晶体结构使其易于激活位错滑移和变形孪生。根据晶体取向与加载方向的关系，可激活不同类型的孪生模式。例如，当晶体的c轴承受拉伸或压缩载荷时，分别会激活拉伸孪生和压缩孪生。在镁中，{1012}拉伸孪生的激活频率远高于其他孪生模式。

在HCP晶体中，{1012}拉伸孪生有六个晶体学等效变体。通常，一个晶粒/晶体中会激活多个非平行变体，其激活取决于应力状态。例如，c轴拉伸可均等激活所有六个变体，而垂直于棱柱面的压缩仅能激活两个应力均等的变体。因此，镁及其合金的变形行为主要受位错-位错、位错-孪晶和孪晶-孪晶相互作用的调控。

HCP镁中位错间的相互作用复杂，且显著影响材料的宏观各向异性响应。例如，基面〈a〉位错与锥面〈c+a〉位错的相互作用比二阶锥面〈c+a〉位错的相互作用更稳定且更强。类似地，孪晶与位错的相互作用也会显著影响HCP金属的力学响应和微观结构。例如，镁中基面〈a〉位错与拉伸孪晶界的相互作用会产生孪生位错，促进孪晶界迁移。此外，位错与孪晶界的相互作用会在孪晶内部及附近形成新的缺陷。例如，基体〈a〉位错与拉伸孪晶界的 transmutation 反应会生成〈c+a〉位错。孪晶-位错相互作用已在纯镁以及含Al、Zn、Li、Y等元素的镁合金中得到了广泛研究。然而，与位错-位错和位错-孪晶相互作用相比，孪晶-孪晶相互作用的机制仍不清楚，这也是本研究的重点。

非平行孪晶相互作用会形成孪晶-孪晶交界（TTJ）。根据两个相互作用孪晶的晶体学取向差，TTJ可分为两类：共轴（两个孪晶共享相同的晶带轴）和非共轴。后者中，相交孪晶不共享同一晶带轴，其晶带轴夹角为2π/3或π/3。在镁及其合金中，共轴和非共轴相互作用均被观察到，因此被认为对微观结构演变和材料性能有重要影响。例如，TTJ已被确定为位错、孪晶和裂纹的形核位点。与TTJ相关的局部应力/应变场和缺陷可能控制相互作用孪晶的生长。

Lloyd等人最近发现，TTJ的存在会显著改变镁在冲击载荷下的微观结构。具体而言，新形成的孪晶与预先存在的TTJ相互作用会使孪晶形成过程变为不可逆。当退火镁合金承受轧制方向（RD）压缩时，新形成的变形孪晶没有足够时间与位错等缺陷相互作用，因此孪生过程几乎可逆。而在已含有TTJ的预应变样品中，冲击载荷诱导的孪晶会与预先存在的TTJ相互作用，形成稳定的孪晶微观结构，导致新形成的孪晶不可逆并在冲击恢复后保留。Zhang等人的研究表明，TTJ的存在可促进再结晶，有助于弱化织构并实现镁合金的均匀晶粒生长。此外，大量研究表明，TTJ的存在会显著影响材料强度和应变硬化响应，尤其是在循环载荷下。Yu等人发现，屈服强度和应变硬化率随加载循环次数增加而提高，这与TTJ数量的增加直接相关。因此，理解TTJ的形成、相互作用孪晶的生长以及交界处及周围的局部缺陷至关重要。

近年来，通过原位/非原位实验和数值模拟研究了HCP金属中的孪晶-孪晶相互作用。大多数研究聚焦于TTJ的结构特征，尤其是与交界相关的孪晶-孪晶界（TTB）。对于共轴和非共轴交界，通常观察到三种界面：（i）钝角侧界面，（ii）锐角侧界面，或（iii）平行于接收孪晶晶体学平面的界面。共轴相互作用会形成平行于两个孪晶的基面和棱柱面以及接收孪晶{1012}面的界面。仅有少数研究尝试量化与TTJ相关的局部应力。

Arul Kumar等人通过晶体塑性框架和分子动力学模拟计算了镁中共轴TTJ内部及周围的应力。计算结果表明，TTJ通过迁移撞击孪晶和接收孪晶边界形成，并可能在接收孪晶另一侧形成新孪晶，导致实验中观察到的表观交叉结构。Gong等人通过原子计算发现，非共轴TTJ钝角和锐角侧的局部应力不同，可能导致相互作用孪晶的不对称生长。尽管这些研究在一定程度上揭示了TTJ的结构特征和局部应力，但要完全理解孪晶-孪晶相互作用，仍需探究交界内部及周围的局部缺陷及其与孪晶域的相互作用。据我们所知，现有文献尚未对此类局部缺陷进行足够详细的报道。

本研究采用透射电子显微镜（TEM）衍射及相关对比成像技术，表征了Mg-3wt.%Y合金中共轴TTJ内部及周围的缺陷结构。详细分析揭示了以下重要发现：（i）锥面〈c+a〉位错在基体晶粒的TTJ附近富集；（ii）相同锥面〈c+a〉位错在两个孪晶域内部形成；（iii）撞击孪晶的形貌不对称。为解释实验结果，基于快速傅里叶变换的晶体塑性建模表明，孪晶相互作用在基体晶粒交界附近引入了更多锥面〈c+a〉位错，而孪晶域内部的位错可能源于宏观加载过程。模型计算的不对称应力场解释了实验中观察到的撞击孪晶形貌不对称性。

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究通过透射电子显微镜（TEM）和基于弹粘塑性快速傅里叶变换（EVPFFT）的晶体塑性模拟，系统研究了Mg-3wt.%Y合金中共轴{1012}-{1012}拉伸孪晶交界（TTJ）的微观结构特征与局部缺陷分布。实验观察表明，撞击孪晶（T2）的形貌呈现不对称性，而受体孪晶（T1）的非相互作用边界则表现出不规则性。TEM分析揭示了II型锥面1213〈c+a〉位错在孪晶-孪晶交界处富集，且这些位错同时存在于相互作用的孪晶域内。值得注意的是，从T2边界发出的〈c+a〉位错具有刃型特征并伴随基面层错扩展，而T1边界连接的〈c+a〉位错则以螺型为主且结构紧凑。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.11.008