1. 简介

通过原位透射电镜（TEM）压缩实验，本研究探究了晶界对镁（Mg）中{1012}孪晶形成及其力学响应的影响。压缩方向设置为垂直于轴，这是形成{1012}孪晶的有利取向。

在单晶情况下，{1012}孪晶在压缩头与试样接触区域附近形成，与已有研究一致。然而，当试样存在晶界时，这种界面缺陷会成为孪晶的形核/形成位点，且所需的应力低于单晶情况。晶界在抑制位错滑移的同时会产生高应力场，从而促进孪晶胚的形成。尽管孪晶形核是概率性事件，但其形成应力表现出尺寸效应。

2. 文章亮点

1. 晶界作为孪晶形核位点的直接观测
通过原位TEM压缩实验，首次直接证实晶界可作为镁中{1012}孪晶的优先形核位点，且所需应力低于单晶，揭示了晶界通过抑制位错滑移产生高应力场促进孪晶胚形成的机制。

2. 孪晶形成应力的尺寸效应量化
研究发现孪晶形核应力与试样横截面积呈负相关（σ_twin ∝ S^m），填补了纳米尺度下孪晶尺寸效应的实验空白，并验证了异质形核模型在镁中的普适性。

3. 晶界-位错交互作用的新机制
提出晶界处分量位错的分解及位错塞积是孪晶胚稳定的关键因素，结合原子尺度非晶结构特征，解释了多晶镁中复杂孪晶形核行为的物理根源。

3. 研究背景

{102}孪晶（称为轴拉伸孪晶）是镁（Mg）及其合金中重要的变形机制之一，因其在塑性变形中的互补作用。然而，孪晶边界可能成为裂纹扩展路径[1,2]，因此理解孪晶形核与生长对提升延展性和韧性等力学性能至关重要。近期研究尝试观察{1012}孪晶形核与生长，并确定了影响因素[3-17]。这些研究面临挑战，主要源于孪晶形成速率极快（≈声速[18]）、孪晶胚尺寸极小（≈几个原子层[19]）以及形核事件的概率性。

Jeong等通过原位TEM观察发现，堆垛层错与位错的相互作用可导致{1012}孪晶形核[3]；Jiang等则证实位错间的相互作用可直接形成孪晶胚[4]。这些结果表明位错与孪晶形核密切相关。需注意的是，上述研究[3-17]均基于单晶镁，以控制轴与应力方向的关联。然而，实际金属材料中，孪晶形核常通过异质形核模型（如晶界或位错等缺陷）实现[20,21]。晶界因抑制位错滑移而产生高应变/应力场，易成为孪晶胚的形成位点[5,22]。尽管数值模拟和实验研究已探讨晶界与孪晶形核的关系[23-27]，但晶界对孪晶形核力学响应的作用尚未明确。因此，本研究通过原位TEM压缩实验，探究了（i）孪晶是否在晶界形核/形成，以及（ii）晶界如何影响孪晶形成应力。

4. 图文解析

图3. 含晶界试样原位TEM观察的快照图像：(a) 图1(b)载荷-位移曲线中位置C的图像；(b) 位置D的图像；(c) 沿A3轴的ASTAR取向图（虚线框内为放大区域）；(d) 晶界（GB）附近的TEM图像（白色箭头指示），电子衍射图显示基体（左）与孪晶（右）的010]和[0001]晶带轴，两者呈90°夹角，证实为{102}型孪晶。

5. 文章结论

通过沿轴法向压缩条件下的原位TEM观察，研究了晶界对镁中{10I2}孪晶形成及其力学响应的影响。在单晶情况下，如先前研究报道，{10I2}孪晶在压头-试样接触区域附近形成。压头与试样接触产生的复杂局部高应力场促进了位错活动，进而成为孪晶形核位点。相反，在含晶界的试样中，晶界阻碍位错滑移并产生高应力场，从而成为{10I2}孪晶的形成位点。此类试样中孪晶形成所需应力低于单晶。需注意的是，该过程发生在位错向相邻晶粒传播之前。尽管孪晶形核被视为概率性事件，但其形成应力表现出尺寸效应。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116575