1. 简介

高锰孪生诱导塑性（TWIP）钢因其优异的强度和延展性组合，在过去十年中成为研究热点。原位透射电镜（TEM）力学测试是直接揭示材料基础变形机制的有效工具，因此需要通过原位TEM力学测试的关键观察来阐明TWIP钢的变形机制。

本研究通过原位TEM力学测试报道了TWIP钢的三种变形机制：
（1）晶界处变形孪晶的形成：观察到肖克利不全位错直接从晶界源发射形成变形孪晶。孪晶不全位错运动的差异表明，变形孪晶的生长动力学因局部应力状态不同而存在差异。
（2）堆垛层错对变形孪晶生长的干扰：在析出相和堆垛层错之间的倾斜孪晶中，肖克利不全位错发生移动，从而促进变形孪晶的生长。位错在堆垛层错附近的缓慢运动表明堆垛层错具有强化效应。
（3）扩展位错运动对塑性的贡献：获得了扩展位错在整个晶粒内运动的直接证据，表明扩展位错滑移对TWIP钢的塑性有重要贡献。

2. 文章亮点

1. 晶界作为形变孪晶的形核位点
通过原位透射电镜（TEM）首次直接观察到肖克利不全位错（Shockley partial dislocations）从晶界直接发射形成形变孪晶，揭示了晶界作为孪晶核心形核位点的普遍性，挑战了传统认知中孪晶主要在晶内形成的观点。

2. 堆垛层错对孪晶生长的阻碍机制
发现堆垛层错（SF）可显著阻碍形变孪晶的生长：原位TEM捕捉到倾斜孪晶中的肖克利不全位错在堆垛层错附近运动受阻的现象，首次直接证实堆垛层错通过减缓位错运动发挥强化效应，为理解孪晶-层错交互作用提供新证据。

3. 扩展位错运动对塑性的直接贡献
首次获得扩展位错（extended dislocations）在TWIP钢整个晶粒内滑移的原位动态证据，表明扩展位错滑移（非孪晶机制）对塑性变形具有重要贡献，补充了传统TWIP钢以孪晶为主导的塑性理论。

3. 研究背景

高锰孪生诱导塑性（TWIP）钢因其优异的强度和延展性组合，在过去十年中成为研究热点。其卓越的力学性能主要源于变形过程中变形孪晶（DT）与位错的动态交互作用。在TWIP钢变形初期，首先发生滑移；达到变形孪生的临界应变后，滑移与变形孪生共同作用。堆垛层错能（SFE）对TWIP钢塑性增强机制（如变形孪生或变形诱导马氏体相变）起关键作用。低SFE有利于变形孪生，而高SFE更利于滑移。研究表明，仅少数晶粒（取向接近⟨100⟩//拉伸轴）会发生变形孪生，且孪晶比例随TWIP钢晶粒尺寸增大而提高。此外，孪生形核应力随晶粒尺寸减小而增加，细晶材料中的初始孪晶比粗晶材料更薄。

为研究TWIP钢的变形机制，研究者已利用同步辐射X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、电子通道衬度成像（ECCI）、三维原子探针断层扫描（3D-APT）及透射电镜（TEM）等先进显微分析技术，并从温度/应变率依赖性力学性能及考虑变形中微观结构演化的微机械本构模型角度探究了微观结构与力学性能的关系。然而，传统分析方法难以揭示变形机制的动态细节，因此需借助原位表征技术（如原位同步辐射XRD、SEM、EBSD和TEM）。

在此背景下，原位TEM力学测试是直接揭示材料基础变形机制的有效工具。此前已有若干针对TWIP钢的原位TEM研究。Kim等人报道了晶界发射肖克利不全位错形成薄孪晶的过程，表明孪晶在晶界缺陷处形核，该过程类似于纳米晶材料中通过晶界连续发射不全位错形成孪晶。Fu等人通过原位TEM观察到平面滑移和位错交滑移，揭示了位错活动对TWIP钢塑性的主导作用。

尽管如此，仍需更多原位TEM力学测试的关键观察以阐明TWIP钢的变形机制。因此，本研究通过原位TEM力学测试报道了TWIP钢的三种变形机制：（1）晶界形核孪晶，证实了该现象在TWIP钢中的普遍性；（2）堆垛层错（SF）阻碍孪晶生长——尽管SF被认为可促进面心立方（FCC）材料的应变硬化，但早期研究鲜少直接观察到SF阻碍缺陷运动；（3）扩展位错运动对材料塑性的贡献——由两个肖克利不全位错构成的扩展位错在低SFE的FCC材料中常见，但其动态运动对塑性的贡献属首次被发现。

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究通过原位透射电镜（TEM）力学测试报道了TWIP钢的三种变形机制： (1) 晶界形成变形孪晶：观察到肖克利不全位错从晶界源直接发射形成变形孪晶（DTs）。孪晶不全位错运动程度的差异表明，变形孪晶的生长动力学因局部应力状态不同而存在差异。 (2) 堆垛层错阻碍孪晶生长：在析出相和孪晶边界附近观察到变形孪晶的形核。肖克利不全位错在受限的倾斜孪晶中移动，从而促进变形孪晶的生长。其在堆垛层错（SF）附近的缓慢运动表明堆垛层错具有强化效应。 (3) 扩展位错运动对塑性的贡献：首次获得扩展位错在整个晶粒内运动的直接证据，表明扩展位错滑移对TWIP钢的塑性变形具有重要贡献。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112583