北工大Acta Materialia：HCP金属{11-22}孪晶的单层孪生位错半剪切半拖曳机制

引言

{11-22}<11-2-3>孪晶是HCP金属塑性变形过程中重要的压缩孪晶，但是其孪生机制目前仍然存在争论。经典孪生理论认为该孪晶的第二不变面（K₂面）是{11-2-4}，它的孪生剪切量s很小，对钛而言只有大约0.22，其孪生过程是由包含三层原子面的带状孪生位错（zonal twinning dislocation）完成。但是该机制存在的问题是：原子拖曳（shuffle）复杂，甚至部分原子需要向剪切方向的反方向移动；而且在原子尺度的实验及计算模拟结果中并没有得到证实。已有的计算模拟结果均显示{11-22}<11-2-3>孪生的K₂面不是{11-2-4}面，而是(0002)面，对应于只包含一层孪生面的孪生位错机制。然而，该单层孪生位错机制被认为是很难实现的，因为它需要的孪生剪切量很大，对钛而言达到了1.26，高于孪生剪切量的理论阈值1。因此，现有的孪生机制都存在着难以解释的问题。对于钛等HCP金属来说，{11-22}<11-2-3>这种重要孪晶的孪生机制究竟是怎样的，亟待系统、细致的研究。

成果简介

近日，北京工业大学博士生李经纬为第一作者，隋曼龄教授和美国内华达大学（University of Nevada）Bin Li教授为共同通讯作者在《Acta Materialia》杂志发表文章，通过对{11-22}孪晶界的原子尺度STEM表征和分子动力学模拟分析，提出了一种新的孪生形式。研究者在工业纯钛轧制变形中形成的{11-22}形变孪晶的晶界处观察到只包含一层原子面的孪生位错，并发现在该位错中明显存在一个过渡区域，位错核处两层原子呈现并排式的排列，这在计算模拟结果中也得到了很好的印证。研究结果表明{11-22}<11-2-3>孪生过程中只存在单层孪生位错。研究者通过综合分析提出了单层孪生位错半剪切半拖曳机制，即：单层孪生位错通过先剪切一半（s=0.66），然后再拖曳一半（~0.08 nm）的方式完成孪生过程。这使得孪生剪切量s小于1，而剩下的一半通过拖曳辅助完成。文章还分析了其他几种{11-22}<11-2-3>孪生机制，解释了为什么其他机制很难实现。相关结果详见Acta Materialia 216 (2021), 117150（DOI:10.1016/j.actamat.2021.117150)。

选图导读

图1 纯钛样品中{11-22}孪晶的TEM表征。（a） {11-22}孪晶的低倍TEM照片和相应衍射照片; （b-d）孪晶界原子分辨率HAADF-STEM照片。孪生位错存在一个过渡区域，位错核芯处两层原子呈现并排式的排列。

图2 {11-22}孪晶界迁移过程的计算模拟结果。（a） {11-22}孪晶界迁移过程的计算模拟示意图; （b） 只包含一层原子面的孪生位错核芯示意图。

图3 单层原子面孪生位错半剪切半拖曳机制示意图。原子先剪切一半（s=0.66）到紫色虚线位置（如红色箭头所示），然后拖曳一半（~0.08nm）（如绿色箭头所示）。（0002）面为第二不变面。

图4 半剪切半拖曳机制从孪生面垂直方向观察的示意图。上-中-下三层(11-22)原子面对应于红-黄-绿三种颜色。红色原子层经过先剪切后拖曳之后直接到达绿色原子层正上方，实现以黄色原子层为孪晶面的镜面对称。

图5 包含三层原子面的经典孪生理论示意图。以往经典孪生位错理论中，三层原子面原子分别向不同方向拖曳，过于复杂，难以实现。

小结

研究者通过对HCP金属钛中{11-22}孪晶界原子分辨率HAADF-STEM表征和计算模拟分析，揭示了由单层孪生位错滑移产生的一种独特的孪晶边界结构，提出了一种新的半剪切半拖曳孪生机制。该机制不仅解决了经典孪晶理论预测结果与模拟结果之间的冲突，还为研究形变孪生的微观机制提出了一种新的思路。

论文链接：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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