Nature Commun.: 揭示纳米孪晶变形机制转变的临界尺度规律

来源：纳米人

第一作者：A. Y. Chen、L. L. Zhu、L. G. Sun

通讯作者：陈爱英、王现英、吕坚

通讯单位：上海理工大学、香港城市大学

研究亮点：

1. 采用原位拉伸实验，发现纳米孪晶变形存在临界尺度效应。

2. 构建了不锈钢中纳米孪晶的变形图谱。

多尺度纳米孪晶的独特性

多尺度纳米孪晶结构与传统粗晶和纳米晶金属的变形行为截然不同，表现出异乎寻常的独特性能，如更高的强度/延展性、更好的耐疲劳等特性。因此，不同尺度纳米孪晶的变形机制引起材料科学家的广泛关注。目前没有直接的证据说明，当孪晶片层厚度减小到几纳米时，现有的位错滑移增强增韧机理是否适用。如何在一个材料特别是非模型材料和单元材料的合金材料中找到最优化的孪晶片层厚度更是材料科学家近年来探索的重点。

成果简介

为了全面揭示纳米孪晶变形行为，上海理工大学陈爱英教授&王现英教授、浙江大学朱林利副教授与香港城市大学吕坚教授合作团队研究了不同尺度纳米孪晶的变形行为，发现了孪晶变形存在临界尺度效应。

图1 纳米孪晶的二级孪晶化变形。

研究团队将透射电镜下的原位拉伸试验、基于位错塑性力学模型和分子动力学模拟相结合，在奥氏体不锈钢中发现了孪晶变形的分级尺度效应，在此基础上建立了从几纳米到几百纳米范围内孪晶的变形机制图谱。孪晶的变形临界尺度效应和变形机制图谱的建立不仅对微纳尺度金属材料强韧化机制的理解具有重要科学意义，同时也为设计高性能金属工程材料提供了全新思路。

要点1：纳米孪晶变形机制转变的临界尺度

采用原位拉伸实验首次发现了纳米孪晶变形机制转变的两个临界尺度。当孪晶尺度（twin-lamella-spacing）小于5 nm时，变形机制以一级孪晶的孪晶化和退孪晶化为主。当孪晶尺度为6-129 nm时，变形以激发形成二级孪晶为主。当孪晶尺度大于129 nm时，变形以一级孪晶内的位错运动为主。图1中给出了一级孪晶NT 1-5内依次激发形成二级孪晶的原位观察变形过程。

要点2：构建了不锈钢中纳米孪晶的变形图谱

采用本合作团队发展的纳米孪晶塑性力学模型和多级孪晶化位错模型，有效预测出孪晶变形过程中发生孪晶化和退孪晶化的临界孪晶尺寸。结合原位拉伸实验和分子动力学模拟结果，构建了不锈钢中孪晶尺寸从几纳米到几百纳米尺度范围内的孪晶变形图谱。此变形图谱清晰地给出不同尺度孪晶的强韧化机制，包括一级孪晶的孪晶化和退孪晶化变形、退孪晶后的马氏体相变、二级孪晶的孪晶化和退孪晶化变形，以及微米尺度的位错滑移机制。该变形图谱的建立可为金属结构材料的强化机制研究提供指导依据。

图2 不锈钢中纳米孪晶的变形图谱。

小结

总之，该研究通过原位TEM实验，结合理论模型、分子动力学模拟，构建了不同尺度纳米孪晶的变形图谱。该研究对多尺度纳米孪晶结构-性能关系、金属纳米晶变形机制等具有重要参考意义。

参考文献：

A. Y. Chen, L. L. Zhu, L. G. Sun, J. B. Liu, H. T. Wang, X. Y. Wang, J.H. Yang, & J. Lu. Scale law of complex deformation transitionsof nanotwins in stainless steel. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09360-1

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09360-1