1. 简介
在多晶材料中，晶界作为控制材料力学性能的关键微观结构组分，其特性（如错取向和晶界面取向）会影响位错动力学。然而，多数面心立方（FCC）金属的变形孪晶形核机制模型未充分考虑晶界特性的作用。
本研究通过实验发现，在高锰奥氏体钢中，当位错在退火孪晶界（∑3{111}）处塞积并产生超过孪生应力的局部应力时，变形孪晶会在该边界形核；而在高能晶界（如∑21或∑31）处，即使无明显局部应力集中也会发生孪晶形核。
通过原位透射电镜（TEM）变形实验，观察到由∑3{111}边界周期性发射层错导致的衬度反转现象，证明逐层发射层错是变形孪晶的形核机制，这与先前高锰钢的研究结果不同。此外，高Σ值晶界也表现出类似行为。研究表明，除堆垛层错能和晶粒尺寸外，晶界特性对理解变形孪晶形核机制具有重要实际意义。
2. 文章亮点
1. 晶界特性对变形孪晶形核机制的直接影响
首次通过原位TEM实验证实，低能Σ3{111}晶界需位错塞积产生局部应力才能触发孪晶形核，而高能晶界（如Σ21/Σ31）无需明显应力集中即可自发发射层错，揭示了晶界特性（错取向、界面结构）对孪晶形核的关键调控作用。
2. 层错逐层发射的孪晶形核新机制
发现变形孪晶通过晶界逐层发射堆垛层错（而非传统Mahajan-Chin三层层错机制）形成，结合衬度反转现象和原子层序列分析，提出层错连续叠加的形核路径，修正了现有FCC金属孪晶理论模型。
3. 高Σ值晶界的自发缺陷源行为
证实高Σ值晶界（如Σ73）因其长周期结构单元可主动发射位错和层错，无需局部应力集中，为理解晶界结构-塑性变形关联提供了新视角，补充了堆垛层错能和晶粒尺寸外的第三影响因素。
3. 研究背景
面心立方（fcc）金属中孪生变形的研究自20世纪50年代以来已广泛开展，然而除堆垛层错能（SFE）外，决定孪生变形形核机制的其他关键因素尚未明确。具有单一fcc基体相的奥氏体高锰钢是孪生诱导塑性（TWIP）的典型代表合金体系，因其可通过调整化学成分调控SFE值并兼具工业价值，成为研究SFE-变形行为关联的理想对象。
近期原位透射电镜研究表明，高锰钢的变形机制随SFE值变化：在低SFE值合金（SFE~12 mJ/m2）中观察到全位错与肖克利不全位错共同参与的形变孪晶形核，而高SFE值合金（SFE~85 mJ/m2）则以平面位错滑移为主导。学界通常将高锰钢按SFE值划分为三类：低SFE（40 mJ/m2）。SFE水平通过改变位错分解行为影响孪晶形核过程，进而调控TWIP钢的应变硬化响应。但对比纯fcc金属（如铜，SFE~70 mJ/m2）的变形行为可知，高SFE情形暗示SFE可能并非唯一决定因素。
晶粒尺寸同样通过改变塑性变形载体（位错、形变孪晶及马氏体相变）的形核位置影响高锰TWIP钢的变形模式。这种变形模式转变的机理尚未完全阐明，可能归因于晶界本质特性及其对孪晶形核的作用，以及晶粒内部位错源活动的空间约束效应（即位错源硬化）。目前针对高锰TWIP钢已提出五种孪晶形核机制：Venables极机制、Fujita-Mori阶杆交滑移机制、Cohen-Weertman-Frank交滑移机制、Miura-Takamura-Narita主滑移机制和Mahajan-Chin三层缺陷机制。这些基于透射电镜（TEM）微观结构研究的机制均指出：（a）足够高的位错密度和/或局部应力集中是必要前提；（b）{111}滑移面上肖克利不全位错的协同滑移是孪生变形核心特征。然而这些机制均未深入探讨晶界特征的作用。传统电子背散射衍射（EBSD）分析认为退火孪晶界是最可能的形变孪晶形核位点，但最新选区电子衍射（SAED）分析表明形变孪晶实际起源于晶界邻近区域而非晶界本身。
晶界结构与取向差通常影响材料的多种物理性能。晶界结构单元及其排列序列会显著改变位错形核过程，因此这些因素对塑性变形载体形核位点的影响程度应与SFE和晶粒尺寸相当。近期计算研究表明晶间相互作用可改变晶界附近的局部应变分布与传递，由此引出一系列悬而未决的问题：晶界特征（如取向差与界面结构）是否会调控（i）与晶界关联的形变孪晶形核机制；（ii）晶界附近/界面的位错动力学及孪晶前驱体结构形成？
本研究旨在阐明晶界特征与形变孪晶形核机制的关联性，并直接观测晶界附近/界面处孪晶前驱体的形核过程。选用粗晶Fe-31Mn-3Al-3Si（wt%）高锰TWIP钢（SFE=40 mJ/m2）作为中SFE高锰钢模型合金，重点研究低能Σ3{111}晶界与多个高Σ值晶界处的孪晶形核机制。
4. 图文解析
5. 文章结论
本研究通过原位透射电镜变形实验结合晶体学分析，探究了Fe-31Mn-3Al-3Si TWIP钢中晶界取向对变形孪晶形核机制的影响，主要结论如下：
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Σ3{111}晶界的变形孪晶形核机制
当Σ3{111}晶界处或附近的局部应力集中场超过孪生应力时，会触发变形孪晶形核。Σ3{111}晶界对位错和平面缺陷运动具有强阻碍作用，需通过位错或平面缺陷的塞积引入局部应力集中场。这种阻碍效应对变形孪晶形核的影响取决于进入Σ3{111}晶界的位错特性。若进入位错能够实现跨晶界滑移转移，则不会发生变形孪晶形核。 -
高角度晶界的自发孪晶形核行为
在Σ21或Σ31等高角度晶界处，变形孪晶形核无需局部应力集中场（如结构缺陷导致的应力集中）。微观结构观察表明，高角度晶界因其长周期结构单元包含调节取向偏差的晶格位错组分，能够自发发射堆垛层错。 -
层错逐层发射的孪晶形核机制
在低Σ值和高Σ值晶界处，变形孪晶形核机制均为连续的层间堆垛层错发射。通过原位TEM实验观察到，孪晶通过晶界逐层发射领先Shockley不全位错形成两原子层厚度的变形孪晶，这与传统的Mahajan-Chin三层层错机制不同。
全文链接
https://doi.org/10.1038/s41598-021-87811-w
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《Virginia Tech《Sci Rep》突破：低能Σ3与高能晶界的孪晶形核差异首次原位捕捉》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/0OXiYPo1_BKOt3_5RX6WfQ
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