1. 简介
维持晶界（GB）塑性对于防止密排六方（HCP）材料在塑性变形过程中的晶界过早开裂至关重要。
在此，我们基于原子分辨率观测和晶体学分析，研究了在经受循环变形的密排六方镁合金中晶界的原子结构及其变形模式，包括运动、孪生形核、位错发射和分解。除了迁移和滑动外，对称倾斜晶界倾向于移动形成局部刻面，从而产生平行于{1012}晶格面的不对称倾斜小角度晶界（LAGBs）或锯齿状不对称倾斜大角度晶界（HAGBs）。
晶体学分析表明，所形成的不对称倾斜晶界的局部刻面通常平行于相邻晶粒的{10I2}面、基面和/或棱柱面。有趣的是，大量的{10I2}孪晶胚胎和再结晶纳米晶粒从不对称倾斜晶界的局部刻面形核，并伴随着基底a位错阵列的发射。沿着倾斜小角度晶界的{10I2}孪晶片层可以通过{10I2}孪晶胚胎的聚结形成，或者通过再结晶纳米晶粒的组合，随后从晶界三叉点进行{10I2}孪生形核和孪晶生长形成。
此外，孪晶片层也可以通过一个倾斜小角度晶界分解为两个倾斜大角度晶界，随后从这些大角度晶界和晶界三叉点进行{1012}孪生形核形成。重要的是，激活上述晶界变形模式可以释放晶界处的局部应力集中，并维持晶界介导塑性能力，在密排六方材料的塑性变形和力学性能中发挥重要作用。
2. 文章亮点
1. 晶界局部刻面介导的孪晶形核机制
通过原子分辨率观测，首次揭示对称倾斜晶界运动形成局部刻面（平行于{1012}、基面或棱柱面），这些刻面成为{1012}孪晶胚胎的核心形核位点，伴随基底a位错阵列发射，显著促进孪晶形核效率。
2. 孪晶片层形成的三重路径机制
提出沿倾斜晶界生成孪晶片层的三种新机制：(i) 晶界分解为两个大角度晶界，随后孪晶从三叉点形核；(ii) 再结晶纳米晶粒组合成孪晶状片层，孪晶在晶粒内生长；(iii) 相邻孪晶胚胎链直接合并，为孪晶演化提供原子级证据。
3. 晶界位错发射的应力释放机制
阐明晶界变形模式（如位错发射和孪晶形核）可动态释放局部应力集中，通过基底a位错阵列的发射优化晶界结构，延缓裂纹萌生，有效维持镁合金的晶界介导塑性能力。
3. 研究背景
镁合金因轻量化和高能效特性，在航空航天及汽车领域具有巨大应用潜力。然而，密排六方（HCP）结构的镁合金通常表现出较差的延展性，因其最易启动的滑移系（即基底a滑移）仅能提供两个独立滑移系。为改善镁合金延展性，研究者已开展了大量工作，例如激活变形孪生和/或锥面滑移、细化晶粒以及调控织构。
晶界（GBs）通常作为缺陷源，通过激活滑移位错和变形孪晶，在HCP材料的力学性能中发挥关键作用。但实验观察发现，裂纹常在晶界和孪晶界（TBs）（尤其是晶界三叉点）处形核，并沿晶界和/或孪晶界扩展，可能导致HCP材料的灾难性失效。由于塑性各向异性，局部应力集中在晶界开裂中的作用备受关注。因此，亟需揭示晶界塑性弛豫机制，及时释放局部应力集中，以防止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、断裂及强韧化机制的关键。迄今，研究者致力于在立方材料中激活多种晶界变形模式（如晶界迁移、孪晶形核及分解），以维持塑性变形过程中的晶界塑性。例如，纳米金双晶中变形孪生可动态调节晶界变形能力，从而增强晶界迁移率和塑性。与立方材料的各向同性不同，HCP材料因六方结构常表现出强塑性各向异性。因此，激活晶界变形模式对HCP材料更为迫切，以弛豫局部应力集中并维持晶界介导塑性能力。
大量研究表明，HCP材料中对称倾斜小角度晶界（LAGBs）和共格孪晶界（CTBs）的迁移常通过与入射位错的反应促进。此外，高角度晶界（HAGBs）的形成与迁移通常涉及变形金属材料的再结晶过程，可生成新的再结晶细晶并恢复延展性。有趣的是，通过剧烈塑性变形（如旋锻、轧制、多向锻造和搅拌摩擦处理）激活大量{1012}变形孪晶和/或位错，可高效细化镁合金粗晶为再结晶细晶（附表S1和S2）。对Zr、Ti和Mg中变形孪晶的统计分析表明，{1012}变形孪晶倾向于在晶界（尤其是小角度晶界）处形核。先前研究认为，变形镁合金的晶粒细化通常源于动态再结晶，与孪晶演化、孪晶-孪晶相交及孪晶-位错反应相关。
然而，在镁合金塑性变形过程中，微裂纹更易在晶界（尤其是晶界三叉点）处形核并沿晶界扩展。因此，为揭示晶界介导的塑性机制及其在塑性变形中的作用，深入研究变形镁合金晶界的原子结构及其变形行为具有重要性和紧迫性。
本研究利用像差校正Z衬度技术，探究了循环变形Mg-Gd-Y合金中晶界的原子结构及其变形模式（迁移、孪晶形核、位错发射与分解）。研究发现，沿棱柱-棱柱（PP）界面的1/2晶界滑移可使A-A型与A-B型界面相互转化；对称倾斜晶界（STGBs）的迁移倾向于形成平行于特定晶面（如{1012}面、基面或棱柱面）的局部刻面；更重要的是，大量{1012}孪晶胚胎和再结晶纳米晶粒从晶界局部刻面处形核，并伴随基底a位错阵列的发射。此外，本文提出了沿倾斜小角度晶界形成{1012}孪晶片层的三种可能机制，涉及孪晶-孪晶相互作用、晶界分解、晶粒合并及晶界三叉点孪晶形核。研究结果可为理解晶界介导塑性机制（在镁合金塑性变形与力学性能中的关键作用）提供新见解。
4. 图文解析
5. 文章结论
本研究通过原子分辨率技术探究了循环变形Mg-Gd-Y合金中晶界介导的塑性机制，包括晶界运动、孪晶形核、位错发射及分解。主要结论如下：
-
倾斜小角度晶界（LAGBs）的两种棱柱-棱柱（PP）界面构型：
A-A型PP界面可通过基底(langle a_{60} rangle)位错阵列的重排形成，并通过晶界位错的滑移发生迁移；A-B型PP界面则由孪晶-孪晶相互作用形成，随后通过1/2(langle c rangle)晶界滑移转化为A-A型界面。 -
对称倾斜小角度晶界（LAGBs）运动诱导不对称倾斜LAGBs形成：
对称倾斜LAGBs的运动可形成平行于{10(overline{1})2}晶面的不对称倾斜LAGBs。大量{10(overline{1})2}孪晶胚胎从这些不对称倾斜LAGBs的局部刻面形核；相邻孪晶胚胎的生长及其相互作用可沿倾斜LAGBs形成{10(overline{1})2}孪晶片层。 -
对称倾斜大角度晶界（HAGBs）的局部刻面形成与变形行为：
对称倾斜HAGBs倾向于形成平行于{10(overline{1})2}晶面、基面或棱柱面的局部刻面，产生锯齿状不对称倾斜HAGBs。大量{10(overline{1})2}孪晶胚胎和再结晶纳米晶粒从这些刻面形核，并伴随基底(langle a_{60} rangle)位错阵列的发射。 -
倾斜LAGB分解诱导孪晶片层形成：
沿不对称倾斜LAGB的{10(overline{1})2}孪晶片层可通过LAGB分解为两个倾斜HAGBs生成，随后孪晶胚胎从HAGBs和/或晶界三叉点形核，并在片层内生长成形。 -
再结晶纳米晶粒组合形成孪晶片层：
沿不对称倾斜LAGB的一链再结晶纳米晶粒可组合成类孪晶片层，伴随晶界三叉点的形成。大量{10(overline{1})2}孪晶胚胎从三叉点形核，并在纳米晶粒内生长，最终沿倾斜LAGB形成{10(overline{1})2}孪晶片层。
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：《晶界塑性三机制联动！河北工业大学团队Acta Mater.革新镁合金强韧化策略》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/_Z3DbpYsrnJB4mYyVO-uPA
