北工大Acta Materialia：HCP金屬{11-22}孿晶的單層孿生位錯半剪切半拖曳機制

引言

{11-22}<11-2-3>孿晶是HCP金屬塑性變形過程中重要的壓縮孿晶，但是其孿生機制目前仍然存在爭論。經典孿生理論認為該孿晶的第二不變面（K₂面）是{11-2-4}，它的孿生剪切量s很小，對鈦而言只有大約0.22，其孿生過程是由包含三層原子面的帶狀孿生位錯（zonal twinning dislocation）完成。但是該機制存在的問題是：原子拖曳（shuffle）復雜，甚至部分原子需要向剪切方向的反方向移動；而且在原子尺度的實驗及計算模擬結果中并沒有得到證實。已有的計算模擬結果均顯示{11-22}<11-2-3>孿生的K₂面不是{11-2-4}面，而是(0002)面，對應于只包含一層孿生面的孿生位錯機制。然而，該單層孿生位錯機制被認為是很難實現的，因為它需要的孿生剪切量很大，對鈦而言達到了1.26，高于孿生剪切量的理論閾值1。因此，現有的孿生機制都存在著難以解釋的問題。對于鈦等HCP金屬來說，{11-22}<11-2-3>這種重要孿晶的孿生機制究竟是怎樣的，亟待系統、細致的研究。

成果簡介

近日，北京工業大學博士生李經緯為第一作者，隋曼齡教授和美國內華達大學（University of Nevada）Bin Li教授為共同通訊作者在《Acta Materialia》雜志發表文章，通過對{11-22}孿晶界的原子尺度STEM表征和分子動力學模擬分析，提出了一種新的孿生形式。研究者在工業純鈦軋制變形中形成的{11-22}形變孿晶的晶界處觀察到只包含一層原子面的孿生位錯，并發現在該位錯中明顯存在一個過渡區域，位錯核處兩層原子呈現并排式的排列，這在計算模擬結果中也得到了很好的印證。研究結果表明{11-22}<11-2-3>孿生過程中只存在單層孿生位錯。研究者通過綜合分析提出了單層孿生位錯半剪切半拖曳機制，即：單層孿生位錯通過先剪切一半（s=0.66），然后再拖曳一半（~0.08 nm）的方式完成孿生過程。這使得孿生剪切量s小于1，而剩下的一半通過拖曳輔助完成。文章還分析了其他幾種{11-22}<11-2-3>孿生機制，解釋了為什么其他機制很難實現。相關結果詳見Acta Materialia 216 (2021), 117150（DOI:10.1016/j.actamat.2021.117150)。

選圖導讀

圖1 純鈦樣品中{11-22}孿晶的TEM表征。（a） {11-22}孿晶的低倍TEM照片和相應衍射照片; （b-d）孿晶界原子分辨率HAADF-STEM照片。孿生位錯存在一個過渡區域，位錯核芯處兩層原子呈現并排式的排列。

圖2 {11-22}孿晶界遷移過程的計算模擬結果。（a） {11-22}孿晶界遷移過程的計算模擬示意圖; （b） 只包含一層原子面的孿生位錯核芯示意圖。

圖3 單層原子面孿生位錯半剪切半拖曳機制示意圖。原子先剪切一半（s=0.66）到紫色虛線位置（如紅色箭頭所示），然后拖曳一半（~0.08nm）（如綠色箭頭所示）。（0002）面為第二不變面。

圖4 半剪切半拖曳機制從孿生面垂直方向觀察的示意圖。上-中-下三層(11-22)原子面對應于紅-黃-綠三種顏色。紅色原子層經過先剪切后拖曳之后直接到達綠色原子層正上方，實現以黃色原子層為孿晶面的鏡面對稱。

圖5 包含三層原子面的經典孿生理論示意圖。以往經典孿生位錯理論中，三層原子面原子分別向不同方向拖曳，過于復雜，難以實現。

小結

研究者通過對HCP金屬鈦中{11-22}孿晶界原子分辨率HAADF-STEM表征和計算模擬分析，揭示了由單層孿生位錯滑移產生的一種獨特的孿晶邊界結構，提出了一種新的半剪切半拖曳孿生機制。該機制不僅解決了經典孿晶理論預測結果與模擬結果之間的沖突，還為研究形變孿生的微觀機制提出了一種新的思路。

論文鏈接：A half-shear-half-shuffle mechanism and the single-layer twinning dislocation for{11-22}<11-2-3> mode in hexagonal close-packed titanium, Acta Materialia 216 (2021) 117150 (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117150)

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