《Acta Materialia》：原子尺度解析动载荷冲击模式下孪生交叉旋转和ε-马氏体相变

面心立方(FCC)金属和合金普遍表现为机械孪晶塑性变形模式，通常具有高抗拉强度和高塑性的结合。在这些体系中，由于低温、大应变或高应变速率条件下多个孪晶系统的激活，孪晶交互作用不可避免，导致孪晶交叉的形成。在变形过程中，孪晶交叉的形成和演化通过与位错的相互作用而成为变形诱发马氏体的形核点，对材料的强度、延性、应变硬化和局部应力集中或松弛等力学性能产生强烈影响。因此，对孪晶交叉区域的表征和对其形成机制的进一步研究，进而探究其对材料的力学性能的影响具有广泛的研究意义。

众所周知，超低温条件下，孪生系的充分激活往往意味着更高的冲击韧性，说明形变孪生对低温冲击韧性的贡献是显著的，但孪晶本身对塑性应变的贡献一般相对较小，其对塑性应变的贡献主要在于位错-孪晶和孪晶-孪晶间的相互作用。在一定的层错能范围内，形变孪生在面心立方结构金属和合金中是常见的。近年来，基于实验观察和模拟，研究者对位错-孪晶和孪晶-孪晶间的相互作用进行了大量深入系统的研究，并观察到孪晶-孪晶相互用作诱导的微结构转变，如二次孪晶、层错、固态非晶化和α'-马氏体相变等，其可有效松弛局部应力集中和容纳应变，进而显著影响材料的宏观力学性能。事实上，研究者在孪晶-孪晶相互用作诱导的微结构转变方面已开展了深入系统的研究，并聚焦于位错反应，阐明了微结构转变机制。

来自东北大学、重庆大学、芬兰国家技术研究中心、德国亚琛工业大学和日本东北大学的科研团队，开展联合研究，在原子尺度下系统研究了动载荷冲击变形过程中孪晶-孪晶相互作用诱导的局部晶体转动和ε-马氏体相变，发现孪晶交叉区域依然是面心立方结构，但相对于先形成的孪晶存在~0-15^o的取向差，取向差取决于局部应力集中大小。另外，研究发现孪晶交截区域相邻处存在ε-马氏体，且其可沿着T1或T2两个方向长大并呈楔形。基于孪晶交截区域原子尺度微结构特征，并结合位错反应能量计算，研究认为孪晶相互作用中应力的传递主要是通过全位错的滑移。基于ε-马氏体与基体和孪晶间的取向关系，进一步讨论了可能的ε-马氏体相变机制。

本研究确定了一种在孪晶交点区域发生的新的应力松弛机制。在原子尺度上对孪晶相互作用区进行详细的微观结构表征的基础上，讨论了孪晶传递和相互作用的基本位错机理。该研究促进了对孪晶交叉旋转和孪晶相互作用下ε-马氏体相变的认识，提供了孪晶-孪晶相互作用诱导的微结构演变对宏观力学性能影响的实验证据。

相关研究成果以题为“Atomic-scale understanding of twin intersection rotation and ε-martensite transformation in a high Mn twinning-induced plasticity steel”发表在金属材料领域期刊Acta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119832

图1 变形孪晶的TEM图像。(a)沿[011]带轴的BF-TEM图像。(b) (a)中红色矩形所包围区域的放大BF-TEM图像。(b)右上方插入的是对应的SADP，显示了两个孪晶系统的激活。(c)和(d)分别由(111)T1和(111)T2反射得到的DF-TEM图像。

图2 典型的孪生交点区域。(a)和(b) T1孪晶同一区域的BF-TEM图像，分别为黑色和灰色对比。(c)厚T2孪晶的BF-TEM图像。(d)靠近双交叉点的楔形区域BF-TEM图像。

图3 沿[110]方向观察，相对于T1的偏差角为~0°的孪晶交叉结构。(a) BF-TEM图像，一个孪晶穿过另一个孪晶。(b)为(a)中白色矩形包围区域的放大BF-TEM图像，在双相交处显示出明显的对比度变化，由白色箭头指出。

图4 沿[110]方向观察，相对于T1的偏差角为~5°的孪晶交叉结构。(a) BF-TEM图像，显示低倍率双交叉点与厚T2。(b)、(d)和(f)分别为(a)中虚点矩形I-III所包围区域的HRTEM图像。(c)和(e)分别为(b)和(d)的一维IFFT晶格条纹图像，通过选择(111)T1和(111)T1反射来重建。(b)、(d)和(f)中的插图是相应观测区域的区轴FFT模式[110]。

图5 沿[110]方向观察，相对于T1的偏差角为~12°的孪晶交叉结构。(a) BF-TEM图像，显示交点区域的对比度与相邻的T1、T2和T2′不同。(b) SADP的示意图，在孪晶交点处显示了一个新的晶体取向。(c) - (f)分别使用(b)中白线圈出的反射1-4获得的DF-TEM图像。(g)和(h)分别选取(A)中红色点矩形A包围区域的(111)T1和(111)T1以及(111)TI和(111)TI反射重建的HRTEM图像和相应的一维IFFT晶格条纹图像。(g)中插入的是相应区域的[011]区轴FFT模式。

图6 孪晶交叉旋转与ε-马氏体相变示意图。(a) - (c)薄型、中厚型和厚型T2相对于T1的偏差角分别为~0°、~5°和~ 12°的双交点。(d)孪晶交叉旋转伴有多种随机断裂结构和孪晶，其形成与孪晶束密切相关。(e)相对于T1有~10°和~15°两个偏差角的孪晶交叉，沿T2发生ε-马氏体相变。连接ε-马氏体的部分偏差较大，约为15°。(f)相对于T1有较大的~15°偏差角，沿T1方向发生ε-马氏体相变。

图7 孪晶(T)均匀剪切、T/2均匀剪切、孪晶交叉旋转和γ→ε相变原理图。

*感谢论文作者团队的大力支持。