第一作者：A. Y. Chen、L. L. Zhu、L. G. Sun
通訊作者：陳愛英、王現(xiàn)英、呂堅(jiān)
通訊單位：上海理工大學(xué)、香港城市大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 采用原位拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)納米孿晶變形存在臨界尺度效應(yīng)。
2. 構(gòu)建了不銹鋼中納米孿晶的變形圖譜。
多尺度納米孿晶的獨(dú)特性
多尺度納米孿晶結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)粗晶和納米晶金屬的變形行為截然不同，表現(xiàn)出異乎尋常的獨(dú)特性能，如更高的強(qiáng)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(jī)制引起材料科學(xué)家的廣泛關(guān)注。目前沒有直接的證據(jù)說明，當(dāng)孿晶片層厚度減小到幾納米時，現(xiàn)有的位錯滑移增強(qiáng)增韌機(jī)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(yōu)化的孿晶片層厚度更是材料科學(xué)家近年來探索的重點(diǎn)。
成果簡介
為了全面揭示納米孿晶變形行為，上海理工大學(xué)陳愛英教授&王現(xiàn)英教授、浙江大學(xué)朱林利副教授與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授合作團(tuán)隊(duì)研究了不同尺度納米孿晶的變形行為，發(fā)現(xiàn)了孿晶變形存在臨界尺度效應(yīng)。
圖1 納米孿晶的二級孿晶化變形。
研究團(tuán)隊(duì)將透射電鏡下的原位拉伸試驗(yàn)、基于位錯塑性力學(xué)模型和分子動力學(xué)模擬相結(jié)合，在奧氏體不銹鋼中發(fā)現(xiàn)了孿晶變形的分級尺度效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上建立了從幾納米到幾百納米范圍內(nèi)孿晶的變形機(jī)制圖譜。孿晶的變形臨界尺度效應(yīng)和變形機(jī)制圖譜的建立不僅對微納尺度金屬材料強(qiáng)韌化機(jī)制的理解具有重要科學(xué)意義，同時也為設(shè)計(jì)高性能金屬工程材料提供了全新思路。
要點(diǎn)1：納米孿晶變形機(jī)制轉(zhuǎn)變的臨界尺度
采用原位拉伸實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了納米孿晶變形機(jī)制轉(zhuǎn)變的兩個臨界尺度。當(dāng)孿晶尺度（twin-lamella-spacing）小于5 nm時，變形機(jī)制以一級孿晶的孿晶化和退孿晶化為主。當(dāng)孿晶尺度為6-129 nm時，變形以激發(fā)形成二級孿晶為主。當(dāng)孿晶尺度大于129 nm時，變形以一級孿晶內(nèi)的位錯運(yùn)動為主。圖1中給出了一級孿晶NT 1-5內(nèi)依次激發(fā)形成二級孿晶的原位觀察變形過程。
要點(diǎn)2：構(gòu)建了不銹鋼中納米孿晶的變形圖譜
采用本合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展的納米孿晶塑性力學(xué)模型和多級孿晶化位錯模型，有效預(yù)測出孿晶變形過程中發(fā)生孿晶化和退孿晶化的臨界孿晶尺寸。結(jié)合原位拉伸實(shí)驗(yàn)和分子動力學(xué)模擬結(jié)果，構(gòu)建了不銹鋼中孿晶尺寸從幾納米到幾百納米尺度范圍內(nèi)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(qiáng)韌化機(jī)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(jī)制。該變形圖譜的建立可為金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)化機(jī)制研究提供指導(dǎo)依據(jù)。
圖2 不銹鋼中納米孿晶的變形圖譜。
小結(jié)
總之，該研究通過原位TEM實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論模型、分子動力學(xué)模擬，構(gòu)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(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、金屬納米晶變形機(jī)制等具有重要參考意義。
參考文獻(xiàn)：
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
