悉尼大学廖晓舟教授课题组Materials Research Letters: 转换孪晶——一种全新的孪晶形成机制

引言

孪晶是晶体材料中极其常见的一种结构。孪晶与其基体之间的界面称为孪晶界。 原子的堆垛在孪晶界的两边形成镜面对称关系。作为一种特殊并广泛存在的晶体缺陷，孪晶界对晶体材料的力学性能有着极大的正向影响。相较于其它二维缺陷，孪晶界可以更有效地阻碍位错的运动并提升材料中位错的密度，从而同时提高材料的强度和塑性。此外，由于其低能级及规则结构，孪晶界具有很好的热稳定性并且不破坏材料的导电性能。因此，引入孪晶界（提高材料中的孪晶密度）是提升结构材料性能的一个重要手段。

对孪晶的研究已有超过百年的历史。依据其形成的机制，过去已知的孪晶可以归为三类，既生长孪晶、退火孪晶、和变形孪晶。近日，悉尼大学廖晓舟教授课题组在增材制造（3D打印）的钛合金中发现了第四种孪晶形成机制 – 转换孪晶：孪晶界是由结构上相近的普通大角晶界在高温和高热应力的共同作用下转换形成。

成果简介

近日，悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者），Simon Ringer教授（共同通讯作者），陈子斌博士 （共同通讯作者），第一作者王昊，迪肯大学徐嵬教授，晁琦博士与团队成员利用透射和扫描电子显微镜发现并解释了在3D打印钛合金中一种全新的孪晶机制——转换孪晶。钛合金在冷却过程中会经历由高温体心立方相 (BCC) 向低温六角密堆相 (HCP) 的相变。相变过程中两相之间的晶体学取向遵循12种变体选择。在这12种变体中，变体II 中两相邻HCP晶粒间形成围绕 晶带轴旋转60°的晶体学取向关系，这与HCP结构中的孪晶(孪晶与其基体间存在围绕) 十分接近，两种晶界结构间仅有2.58°的角度差异。但是，由于其非相干界面结构，变体II中的晶界相比于孪晶界具有更高的界面能。增材制造过程中，循环热载荷引入了高温与高热应力，驱动变体II中的相邻晶粒发生围绕的小角度转动，将相对高能态的变体II晶界转变为能量上更稳定的孪晶界。因此，这种孪晶机制不属于过去报道过的任何孪晶机制 （生长孪晶，退火孪晶，变形孪晶），其被命名为转换孪晶。这种高密度的转换孪晶会提升样品的机械性能与热稳定性，且可能存在于更广泛的遵循变体选择的金属材料中。该研究成果以“Introducing transformation twins in titanium alloys: an evolution of α-variants during additive manufacturing” 为题刊登在2020年12月18日出版的Materials Research Letters上。

图文导读

图1：扫描电镜数据展示增材制造钛合金样品中变体II集群的晶粒取向结构

a) 由透射菊池衍射数据获得的反极图。在晶粒A、B、和C组成的三角变体II集群中存在高密度变形孪晶。一个很有趣的现象是部分变体集群之间的界面平行于这些变形孪晶的晶界，意味着这部分界面也可能是孪晶界。

b) 由透射菊池衍射数据获得的晶界类型图。孪晶界被红线标识，证实部分变体II集群之间的界面已转变为孪晶界，但三角形中心区域的晶界仍为变体II界面。

c & d) 对应的极图，三个晶粒取向发生了转变，再次证实一部分变体II晶界转变成了孪晶界。

图2：对应的透射电镜数据

a) 扫描透射明场下变体II集群的形貌，在晶粒内部观测到高密度一次孪晶（紫色虚线）与二次孪晶（蓝色虚线）。

b) 对应的电子衍射图片，绿色，紫色，蓝色虚线分别标定了基体，一次孪晶与二次孪晶的衍射点。

c – e) 变体II集群晶界不同区域的扫描透射高角环形暗场像。

图3：传统制造的钛合金中变体II集群的电子背散射衍射数据

a) 反极图。

b) 晶界类型图，表明了变体集群内晶粒A、B、和C之间的晶界为变体II界面。

c -d) 对应的极图，展示变体II晶粒取向关系。

图4：传统制造和增材制造的钛合金样品中晶粒取向差分布图的比较

a) 传统制造样品的取向差分布图。各峰对应了不同的变体选择。60°处的峰对应于变体II。

b) 增材制造样品的取向差分布图。60°处对应于变体II的峰值明显下降，同时在大约57°的位置出现了对应于孪晶的峰，证实了变体II晶界向孪晶界的大规模转变。

文献链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2020.1850536

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