Nature Materials：納米孿晶的又一顛覆性重大成果！

虛谷納物 1年前 (2022-05-25) 2952瀏覽

  1. 導讀

金屬材料微觀結構的演變主要依賴于溫度，應變速率和應變量。在應變足夠大的情況下，位錯滑移和積累可以引起微觀結構的變化，其中最為著名的便是動態再結晶。動態再結晶(DRX)是位錯介導的一個過程，隨著位錯和Zener–Holloman參數的變化而變化。以Cu為例，再結晶發生所需要的應變量通常大于1.5，而Zener–Holloman參數則小于1015s-1。變形孿晶在fcc金屬中非常常見，在再結晶過程中扮演著客串角色，通常導致晶界發生鼓脹或者出現變形。但是，在高應變速率和大應變情況下，變形孿晶是否可以誘導動態再結晶，依然是未解之謎。相關研究缺乏的其中一個主要原因現有材料很難承受高應變速率下的大塑性變形。本文使用誘導粒子沖擊測試儀研究了這種極端條件下的變形孿晶誘導的再結晶。

  1. 成果掠影

近日，麻省理工學院Ahmed A. Tiamiyu等人利用激光誘導粒子沖擊試驗機，使用單個銅微粒沖擊事件來獲得應變和應變速率的極端條件。利用電子背散射衍射和掃描透射電子顯微鏡相結合的方法對撞擊點進行測試實驗后表征。本工作系統地探索了應變水平的增加，并觀察到納米孿晶促進的再結晶過程。稱之為納米孿晶輔助動態再結晶。它比已建立的再結晶模式獲得更細的晶粒尺寸，這為通過極端應變過程獲得最細的納米晶粒尺寸提供了途徑。相關成果以“Nanotwinning-assisted dynamic recrystallization at high strains and strain rates”為題發表在材料學頂級期刊《Nature Materials》上.

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01250-0

3.?核心創新點

(1) 納米孿晶是變形機制由滑移轉變為孿晶的過渡;

(2)孿晶變形加劇塑性，并充滿了位錯;

(3)位錯重新排列形成位錯壁，在垂直方向上將透鏡孿晶界劃分為納米尺寸的細長塊體，在水平方向上劃分為小角度晶界;

(4)所述塊體的孿晶界向外凸出形成被大角晶界橫向分隔成等軸納米顆粒.

  1. 數據概覽

圖1 DRX過程中組織演變的變形圖和示意圖.a,b? DDRX過程中隨著應變增加，微觀結構的演變示意圖，晶核和隨后的生長是在優先位置(如晶界附近)密集位錯的損失下發生的，在cDRX過程中，隨機分布的位錯引起拉長的位錯胞，然后這些位錯細胞分裂并旋轉形成相當等軸的晶核(b). (c) 顯示了銅的預期變形機制作為真應變和Zener-Hollomon參數Z的函數;晶粒尺寸為20 μ m時，將微觀結構場的邊界標為i-vi. (d) 圖中顯示了ntDRX的演變順序，這里提出的機制是孿晶成核、生長，然后分裂成等軸納米尺寸的晶粒。黑色、紅色和藍色(分別為a、b、d)分別代表晶界、位錯和孿晶界。

圖2 彈回粒子撞擊點的特征. (a) 掃描圖像；（b）IPF圖；（c）KAM圖，其中的插圖為BC圖；(d) STEM明場顯微照片顯示南極位置位錯密度高，插圖顯示了高倍放大后的位錯結構；(e) 沖擊誘導變形孿晶沿著遠離南極的方向拉長，插圖顯示了衍射圖案(左)與孿生結構，以及衍射盤強度的集成的虛擬暗場像(右)形成，以突出孿生結構；(b)黑線表示大于15°的大角晶界；c中插圖中的青色箭頭表示孿生邊界；

圖3 對輕微變形黏附顆粒的撞擊點的表征；(a) 掃描圖像；（b）IPF圖；（c）KAM圖; (d) BC圖；其中插圖為放大圖像，突出顯示孿晶界；e - g, STEM明場像顯示了在顆粒頂部位錯滑移的變形，在顆粒高位錯密度區域和基體附近的孿晶； b-d，黑線表示大于15°的大角晶界； f，紅色虛線方框為顆粒-基體界面。e,f，箭頭表示納米孿晶結構。g，衍射盤強度的集成的虛擬暗場像(右)形成，以突出孿生結構。

圖4 在647 m/ s沖擊下強變形黏附顆粒的表征。(a) 掃描圖像；（b）IPF圖；（c）KAM圖; (d) BC圖突出顯示孿晶界；其中插圖為放大圖像；(e)? STEM明場像顯示了顆粒頂部位錯滑移的變形，插圖表示先前退火孿晶的位錯演變為納米顆粒；(f) 顆粒極圖界面附近孿晶和生成的納米顆粒；（g）通過整合衍射盤強度來突出孿晶結構形成的虛擬暗場圖像(左)和顯示孿晶結構的衍射圖(右)；b-d，黑線表示大于15°的大角晶界；

圖5 在768 m/ s沖擊下強變形黏附顆粒的表征. ?a,b，整個撞擊點(a)和界面附近(b)的STEM明場顯微圖，顯示顆粒和基體兩側的DRX；紅色、綠色和藍色箭頭分別表示充滿位錯的納米孿晶，將透鏡狀的孿晶分成納米大小的細長塊和六邊形納米顆粒。

5.成果啟示

在最高的沖擊速度下，本文提出了一種再結晶機制的證據，稱之為納米孿晶輔助的動態再結晶。本工作已經將這種變形模式與先前報道的模式相協調，并表明這種再結晶模式比其他的模式產生更細的晶粒，這可能是產生納米晶粒的一些極端過程的基礎。

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