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合金中的共带轴（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，而接收（1012）孪晶的非相互作用边界不规则。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〉位错在相互作用的孪晶域内也有发现，同时伴有少量〈a〉位错。从撞击（1012）孪晶边界发出的〈c+a〉位错具有刃型特征，并沿基面平行方向扩展且伴有层错；而连接至接收（1012）孪晶的〈c+a〉位错则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，两孪晶相遇的交界处产生的局部应力场是实验中观测到〈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. 孪晶-孪晶相互作用诱导的局部缺陷分布
研究发现，Mg-3wt.%Y合金中，共带轴{1012}拉伸孪晶交界处会富集II型锥面〈c+a〉位错，且撞击孪晶与接收孪晶的位错特征（刃型/螺型）和形貌呈现显著不对称性，揭示了孪晶相互作用对局部缺陷分布的调控机制。

2. 晶体塑性模型验证应力场不对称性
通过弹粘塑性快速傅里叶变换（EVPFFT）模型计算，首次量化了孪晶交界处的局部应力场，发现其不对称分布是导致撞击孪晶形貌不对称和〈c+a〉位错集中的关键原因，为实验现象提供了理论支撑。

3. 孪晶域内位错来源的新解释
结合几何分析与模拟，提出孪晶域内的〈c+a〉位错并非由孪晶相互作用直接产生，而是宏观加载过程中预先形成并通过特定滑移系（如(1212)面）进入孪晶域，挑战了传统位错传输机制的认知。

3. 研究背景

镁及其合金因其低密度和高比强度，在众多工程应用中极具吸引力。由于镁的六方紧密堆积（HCP）晶体结构，位错滑移和变形孪晶均可被激活。根据晶体取向与加载方向的相对关系，可激活不同类型的孪晶模式。例如，当晶体的c轴承受拉伸或压缩载荷时，将分别激活拉伸孪晶和压缩孪晶。在镁中，{1012}拉伸孪晶的激活频率远高于其他孪晶模式。

在HCP晶体中，{1012}拉伸孪晶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由位错-位错、位错-孪晶和孪晶-孪晶相互作用主导。

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〉位错间的相互作用更稳定且更强。同样，孪晶与位错的相互作用也极大影响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晶位错，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缺陷。例如，基体〈a〉位错与拉伸孪晶界的嬗变反应会生成〈c+a〉位错。

孪晶-位错相互作用已在纯镁及含Al、Zn、Li、Y等元素的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-孪晶相互作用的认知仍非常有限，这也成为本研究的重点。

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间的晶体学取向差，TTJ可分为两类：共带轴（两个孪晶共享同一带轴）和非共带轴。后者中，相交孪晶不共享同一带轴，且带轴间夹角为2π/3或π/3。镁及其合金中均可观察到这两类相互作用，因此它们被认为显著影响微观结构演变和材料性能。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的存在显著改变了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，因此孪晶过程几乎可逆。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。

张等人的近期研究表明，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，大量文献证实，TTJ的存在强烈影响材料强度及应变硬化响应，尤其是在循环加载条件下。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）。对于共带轴和非共带轴交界，通常观察到三种界面：（i）位于交界钝角或（ii）锐角侧的界面，或（iii）平行于接收孪晶晶体学平面的界面。共带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，计算了镁中共带轴TTJ内部及周围的应力。计算应力场表明，TTJ通过迁移撞击孪晶和接收孪晶界形成，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，非共带轴TTJ钝角和锐角侧的局部应力不同，可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）衍射及相关衬度成像技术，表征了Mg-3wt.%Y合金中共带轴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）相同的锥面〈c+a〉位错出现在两个孪晶域内部；（iii）撞击孪晶的形貌不对称。为理解和解释这些实验现象，本研究还进行了基于快速傅里叶变换的晶体塑性模拟。

4. 图文解析

图6. WBDF TEM图像显示孪晶-孪晶交界面在不同衍射条件下的位错衬度。

5. 文章结论

本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，分析了镁合金中孪晶-孪晶交界（TTJ）内部及周围的局部缺陷结构。以变形Mg-3wt.%Y合金中的共带轴{1012}拉伸孪晶为研究对象，利用透射电子显微镜（TEM）表征了TTJ附近及孪晶域内的缺陷特征，并通过基于弹粘塑性快速傅里叶变换（EVPFFT）的晶体塑性模型对实验结果进行解释。主要发现如下：

• 高密度〈c+a〉位错的分布：在TTJ交汇处的基体区域观察到高密度的〈c+a〉位错，相同的位错也存在于相互作用的孪晶域内，部分位错似乎跨越了孪晶界。基体区域未发现纯〈a〉位错。这一现象与Mg-0.6wt.%Y合金中的观察结果一致。
• 位错衬度特征：基体中观察到的〈c+a〉位错呈现平行于基面迹线的线衬度，与纯Mg、Mg-3wt.%Y和Mg-Li合金中的报道相符[26,45,54,55]。
• 位错类型与取向：基体和孪晶域内的〈c+a〉位错均为II型锥面位错，伯格斯矢量为，表现为刃型和螺型混合取向。与撞击孪晶（T2）边界相互作用的基体位错以刃型为主，而与接收孪晶（T1）边界相互作用的位错以螺型为主。刃型位错解离为不全位错，螺型位错则保持紧凑结构。
• 位错来源分析：几何分析表明，孪晶域内的〈c+a〉位错并非通过基体位错的跨孪晶界传输形成，而更可能源于宏观加载过程中预先生成。
• 模型计算结果：晶体塑性模拟显示，孪晶-孪晶相互作用显著增加了基体中〈c+a〉位错密度，但对孪晶域内位错密度影响有限，进一步验证了实验观察到的孪晶域位错可能形成于TTJ形成前的加载阶段。
• 局部应力与孪晶形貌：模型计算的局部应力场揭示了撞击孪晶（T2）的不对称生长机制，解释了实验中观察到的孪晶形貌不对称性。接收孪晶（T1）边界顶部的局部应力集中与其阶梯状形貌特征直接相关。

全文链接

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