Nature Materials：纳米孪晶的又一颠覆性重大成果！

虚谷纳物 2年前 (2022-05-25) 4358浏览

  1. 导读

金属材料微观结构的演变主要依赖于温度，应变速率和应变量。在应变足够大的情况下，位错滑移和积累可以引起微观结构的变化，其中最为著名的便是动态再结晶。动态再结晶(DRX)是位错介导的一个过程，随着位错和Zener–Holloman参数的变化而变化。以Cu为例，再结晶发生所需要的应变量通常大于1.5，而Zener–Holloman参数则小于1015s-1。变形孪晶在fcc金属中非常常见，在再结晶过程中扮演着客串角色，通常导致晶界发生鼓胀或者出现变形。但是，在高应变速率和大应变情况下，变形孪晶是否可以诱导动态再结晶，依然是未解之谜。相关研究缺乏的其中一个主要原因现有材料很难承受高应变速率下的大塑性变形。本文使用诱导粒子冲击测试仪研究了这种极端条件下的变形孪晶诱导的再结晶。

  1. 成果掠影

近日，麻省理工学院Ahmed A. Tiamiyu等人利用激光诱导粒子冲击试验机，使用单个铜微粒冲击事件来获得应变和应变速率的极端条件。利用电子背散射衍射和扫描透射电子显微镜相结合的方法对撞击点进行测试实验后表征。本工作系统地探索了应变水平的增加，并观察到纳米孪晶促进的再结晶过程。称之为纳米孪晶辅助动态再结晶。它比已建立的再结晶模式获得更细的晶粒尺寸，这为通过极端应变过程获得最细的纳米晶粒尺寸提供了途径。相关成果以“Nanotwinning-assisted dynamic recrystallization at high strains and strain rates”为题发表在材料学顶级期刊《Nature Materials》上.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01250-0

3. 核心创新点

(1) 纳米孪晶是变形机制由滑移转变为孪晶的过渡;

(2)孪晶变形加剧塑性，并充满了位错;

(3)位错重新排列形成位错壁，在垂直方向上将透镜孪晶界划分为纳米尺寸的细长块体，在水平方向上划分为小角度晶界;

(4)所述块体的孪晶界向外凸出形成被大角晶界横向分隔成等轴纳米颗粒.

  1. 数据概览

图1 DRX过程中组织演变的变形图和示意图.a,b  DDRX过程中随着应变增加，微观结构的演变示意图，晶核和随后的生长是在优先位置(如晶界附近)密集位错的损失下发生的，在cDRX过程中，随机分布的位错引起拉长的位错胞，然后这些位错细胞分裂并旋转形成相当等轴的晶核(b). (c) 显示了铜的预期变形机制作为真应变和Zener-Hollomon参数Z的函数;晶粒尺寸为20 μ m时，将微观结构场的边界标为i-vi. (d) 图中显示了ntDRX的演变顺序，这里提出的机制是孪晶成核、生长，然后分裂成等轴纳米尺寸的晶粒。黑色、红色和蓝色(分别为a、b、d)分别代表晶界、位错和孪晶界。

图2 弹回粒子撞击点的特征. (a) 扫描图像；（b）IPF图；（c）KAM图，其中的插图为BC图；(d) STEM明场显微照片显示南极位置位错密度高，插图显示了高倍放大后的位错结构；(e) 冲击诱导变形孪晶沿着远离南极的方向拉长，插图显示了衍射图案(左)与孪生结构，以及衍射盘强度的集成的虚拟暗场像(右)形成，以突出孪生结构；(b)黑线表示大于15°的大角晶界；c中插图中的青色箭头表示孪生边界；

图3 对轻微变形黏附颗粒的撞击点的表征；(a) 扫描图像；（b）IPF图；（c）KAM图; (d) BC图；其中插图为放大图像，突出显示孪晶界；e - g, STEM明场像显示了在颗粒顶部位错滑移的变形，在颗粒高位错密度区域和基体附近的孪晶； b-d，黑线表示大于15°的大角晶界； f，红色虚线方框为颗粒-基体界面。e,f，箭头表示纳米孪晶结构。g，衍射盘强度的集成的虚拟暗场像(右)形成，以突出孪生结构。

图4 在647 m/ s冲击下强变形黏附颗粒的表征。(a) 扫描图像；（b）IPF图；（c）KAM图; (d) BC图突出显示孪晶界；其中插图为放大图像；(e)  STEM明场像显示了颗粒顶部位错滑移的变形，插图表示先前退火孪晶的位错演变为纳米颗粒；(f) 颗粒极图界面附近孪晶和生成的纳米颗粒；（g）通过整合衍射盘强度来突出孪晶结构形成的虚拟暗场图像(左)和显示孪晶结构的衍射图(右)；b-d，黑线表示大于15°的大角晶界；

图5 在768 m/ s冲击下强变形黏附颗粒的表征.  a,b，整个撞击点(a)和界面附近(b)的STEM明场显微图，显示颗粒和基体两侧的DRX；红色、绿色和蓝色箭头分别表示充满位错的纳米孪晶，将透镜状的孪晶分成纳米大小的细长块和六边形纳米颗粒。

5.成果启示

在最高的冲击速度下，本文提出了一种再结晶机制的证据，称之为纳米孪晶辅助的动态再结晶。本工作已经将这种变形模式与先前报道的模式相协调，并表明这种再结晶模式比其他的模式产生更细的晶粒，这可能是产生纳米晶粒的一些极端过程的基础。

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