NatureCommun.:揭示納米孿晶變形機制轉變的臨界尺度規律

　　多尺度納米孿晶的獨特性

　　多尺度納米孿晶結構與傳統粗晶和納米晶金屬的變形行為截然不同，表現出異乎尋常的獨特性能，如更高的強度/延展性、更好的耐疲勞等特性。因此，不同尺度納米孿晶的變形機制引起材料科學家的廣泛關注。目前沒有直接的證據說明，當孿晶片層厚度減小到幾納米時，現有的位錯滑移增強增韌機理是否適用。如何在一個材料特別是非模型材料和單元材料的合金材料中找到最優化的孿晶片層厚度更是材料科學家近年來探索的重點。

　　成果簡介

　　為了全面揭示納米孿晶變形行為，上海理工大學陳愛英教授&王現英教授、浙江大學朱林利副教授與香港城市大學呂堅教授合作團隊研究了不同尺度納米孿晶的變形行為，發現了孿晶變形存在臨界尺度效應。

圖1 納米孿晶的二級孿晶化變形。

　　研究團隊將透射電鏡下的原位拉伸試驗、基于位錯塑性力學模型和分子動力學模擬相結合，在奧氏體不銹鋼中發現了孿晶變形的分級尺度效應，在此基礎上建立了從幾納米到幾百納米范圍內孿晶的變形機制圖譜。孿晶的變形臨界尺度效應和變形機制圖譜的建立不僅對微納尺度金屬材料強韌化機制的理解具有重要科學意義，同時也為設計高性能金屬工程材料提供了全新思路。

　　要點1：納米孿晶變形機制轉變的臨界尺度

　　采用原位拉伸實驗首次發現了納米孿晶變形機制轉變的兩個臨界尺度。當孿晶尺度（twin-lamella-spacing）小于5 nm時，變形機制以一級孿晶的孿晶化和退孿晶化為主。當孿晶尺度為6-129 nm時，變形以激發形成二級孿晶為主。當孿晶尺度大于129 nm時，變形以一級孿晶內的位錯運動為主。圖1中給出了一級孿晶NT 1-5內依次激發形成二級孿晶的原位觀察變形過程。

　　要點2：構建了不銹鋼中納米孿晶的變形圖譜

　　采用本合作團隊發展的納米孿晶塑性力學模型和多級孿晶化位錯模型，有效預測出孿晶變形過程中發生孿晶化和退孿晶化的臨界孿晶尺寸。結合原位拉伸實驗和分子動力學模擬結果，構建了不銹鋼中孿晶尺寸從幾納米到幾百納米尺度范圍內的孿晶變形圖譜。此變形圖譜清晰地給出不同尺度孿晶的強韌化機制，包括一級孿晶的孿晶化和退孿晶化變形、退孿晶后的馬氏體相變、二級孿晶的孿晶化和退孿晶化變形，以及微米尺度的位錯滑移機制。該變形圖譜的建立可為金屬結構材料的強化機制研究提供指導依據。

圖2 不銹鋼中納米孿晶的變形圖譜。

　　小結

　　總之，該研究通過原位TEM實驗，結合理論模型、分子動力學模擬，構建了不同尺度納米孿晶的變形圖譜。該研究對多尺度納米孿晶結構-性能關系、金屬納米晶變形機制等具有重要參考意義。

　　參考文獻：

　　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