悉尼大學廖曉舟教授課題組Materials Research Letters: 轉換孿晶——一種全新的孿晶形成機制

引言

孿晶是晶體材料中極其常見的一種結構。孿晶與其基體之間的界面稱為孿晶界。 原子的堆垛在孿晶界的兩邊形成鏡面對稱關系。作為一種特殊并廣泛存在的晶體缺陷，孿晶界對晶體材料的力學性能有著極大的正向影響。相較于其它二維缺陷，孿晶界可以更有效地阻礙位錯的運動并提升材料中位錯的密度，從而同時提高材料的強度和塑性。此外，由于其低能級及規則結構，孿晶界具有很好的熱穩定性并且不破壞材料的導電性能。因此，引入孿晶界（提高材料中的孿晶密度）是提升結構材料性能的一個重要手段。

對孿晶的研究已有超過百年的歷史。依據其形成的機制，過去已知的孿晶可以歸為三類，既生長孿晶、退火孿晶、和變形孿晶。近日，悉尼大學廖曉舟教授課題組在增材制造（3D打印）的鈦合金中發現了第四種孿晶形成機制 – 轉換孿晶：孿晶界是由結構上相近的普通大角晶界在高溫和高熱應力的共同作用下轉換形成。

成果簡介

近日，悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者），Simon Ringer教授（共同通訊作者），陳子斌博士 （共同通訊作者），第一作者王昊，迪肯大學徐嵬教授，晁琦博士與團隊成員利用透射和掃描電子顯微鏡發現并解釋了在3D打印鈦合金中一種全新的孿晶機制——轉換孿晶。鈦合金在冷卻過程中會經歷由高溫體心立方相 (BCC) 向低溫六角密堆相 (HCP) 的相變。相變過程中兩相之間的晶體學取向遵循12種變體選擇。在這12種變體中，變體II 中兩相鄰HCP晶粒間形成圍繞?晶帶軸旋轉60°的晶體學取向關系，這與HCP結構中的孿晶(孿晶與其基體間存在圍繞) 十分接近，兩種晶界結構間僅有2.58°的角度差異。但是，由于其非相干界面結構，變體II中的晶界相比于孿晶界具有更高的界面能。增材制造過程中，循環熱載荷引入了高溫與高熱應力，驅動變體II中的相鄰晶粒發生圍繞的小角度轉動，將相對高能態的變體II晶界轉變為能量上更穩定的孿晶界。因此，這種孿晶機制不屬于過去報道過的任何孿晶機制 （生長孿晶，退火孿晶，變形孿晶），其被命名為轉換孿晶。這種高密度的轉換孿晶會提升樣品的機械性能與熱穩定性，且可能存在于更廣泛的遵循變體選擇的金屬材料中。該研究成果以“Introducing transformation twins in titanium alloys: an evolution of α-variants during additive manufacturing” 為題刊登在2020年12月18日出版的Materials Research Letters上。

圖文導讀

圖1：掃描電鏡數據展示增材制造鈦合金樣品中變體II集群的晶粒取向結構

a) 由透射菊池衍射數據獲得的反極圖。在晶粒A、B、和C組成的三角變體II集群中存在高密度變形孿晶。一個很有趣的現象是部分變體集群之間的界面平行于這些變形孿晶的晶界，意味著這部分界面也可能是孿晶界。

b) 由透射菊池衍射數據獲得的晶界類型圖。孿晶界被紅線標識，證實部分變體II集群之間的界面已轉變為孿晶界，但三角形中心區域的晶界仍為變體II界面。

c & d) 對應的極圖，三個晶粒取向發生了轉變，再次證實一部分變體II晶界轉變成了孿晶界。

圖2：對應的透射電鏡數據

a) 掃描透射明場下變體II集群的形貌，在晶粒內部觀測到高密度一次孿晶（紫色虛線）與二次孿晶（藍色虛線）。

b) 對應的電子衍射圖片，綠色，紫色，藍色虛線分別標定了基體，一次孿晶與二次孿晶的衍射點。

c – e) 變體II集群晶界不同區域的掃描透射高角環形暗場像。

圖3：傳統制造的鈦合金中變體II集群的電子背散射衍射數據

a) 反極圖。

b) 晶界類型圖，表明了變體集群內晶粒A、B、和C之間的晶界為變體II界面。

c -d) 對應的極圖，展示變體II晶粒取向關系。

圖4：傳統制造和增材制造的鈦合金樣品中晶粒取向差分布圖的比較

a) 傳統制造樣品的取向差分布圖。各峰對應了不同的變體選擇。60°處的峰對應于變體II。

b) 增材制造樣品的取向差分布圖。60°處對應于變體II的峰值明顯下降，同時在大約57°的位置出現了對應于孿晶的峰，證實了變體II晶界向孿晶界的大規模轉變。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2020.1850536

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