镁中晶界介导的{10-11}孪生的原子尺度研究

《Acta Materialia》：Atomistic Study of Grain Boundary-mediated {10ˉ11} Twinning in Magnesium

　　

摘要

鉴于密排六方（hcp）金属的晶体学特性，其孪生机制本质上十分复杂。在本工作中，我们通过分子动力学（MD）模拟 [21ˉ1ˉ0] 织构多晶镁样品，揭示了一种由晶界（GB）介导的 {101ˉ1} 孪生模式。我们证明了两种类型的 [21ˉ1ˉ0] 倾侧晶界可以作为 {101ˉ1} 孪生的来源。第一种是具有台阶结构的台阶化晶界，其特征是包含一系列 {101ˉ1} 共格孪晶界（CTB）段和基面/锥面（B/Py）界面的交替序列。第二种是分解晶界，其中包含具有 {101ˉ1} CTB 段和 B/Py 界面的亚晶。4 层 B/Py 界面转变为四层孪生断开（b4 TD）引发了这种晶界介导的 {101ˉ1} 孪生。这种晶界介导的 {101ˉ1} 孪晶所伴随的孪生切变被证明与压缩孪生的切变一致。

引言

镁（Mg）及其合金由于密度低和比强度高，作为结构材料在汽车、航空航天和电子应用中受到了广泛关注 [[1], [2], [3]]。然而，其广泛应用仍受到延展性和成形性差的限制，这源于密排六方（hcp）晶体中独立且易激活的滑移系数量有限 [[4], [5], [6]]。因此，变形孪生在调节镁的塑性变形中起着关键作用，常见激活的有 {101ˉ2} 拉伸孪生和 {101ˉ1} 压缩孪生。{101ˉ2} 拉伸孪晶的形核、传播和生长，以及它们与其他晶体缺陷的相互作用，已通过实验表征和多尺度建模结合的方式进行了广泛研究，并在几篇文章中得到了全面综述 [[7], [8], [9]]。相比之下，容纳体镁合金中 c 轴压缩的 {101ˉ1} 孪晶的潜在机制 [10,11] 了解得相对较少。

对于 {101ˉ1} 孪生，基本界面缺陷是四层孪生断开（TD），表示为 (b4, 4h{1ˉ011})，它可以分解为两个混合的两层 TD，具有相同的边缘分量但相反的螺旋分量，(b2+, 2h{1ˉ011}) 和 (b2-, 2h{1ˉ011}) [12]。四层 TD 具有伯格斯矢量 b4=ρe(1ˉ011)[1ˉ012ˉ]，其中 ρe(1ˉ011)=√((4κ2-9)/(3+4κ2)) 且 κ=c/a。两层 TD 的伯格斯矢量可以表示为，b2±=1/2 ρe(1ˉ011)[1ˉ012ˉ] ± 1/6 [12ˉ10]。实验观察和原子模拟都表明，TD 阵列通常松弛为台阶或刻面，也称为共格位错 [13]。典型的台阶/刻面构型表示为 Py/B 或 B/Py，其中基体中的锥面或基面平行于孪晶中的基面或锥面 [14,15]。孪晶增厚通过 TD 的形核和滑移进行，而孪晶传播是通过这些台阶/刻面的迁移完成的 [8]。

六方金属中的孪晶形核已通过位错理论 [16,17]、微机械分析 [18] 和实验方法 [19,20] 进行了研究。孪晶的非均匀形核是由预先存在的晶格位错引发的，这些位错分解为多层堆垛层错结构以形成孪晶胚胎 [8,16,21]。对于镁中的 {101ˉ1} 孪晶，TEM 观察表明，在裂纹尖端附近极高应力下，发射的晶格位错可能会分解为带有附加堆垛层错的胚胎孪晶 [19]。原子模拟进一步证明，在高施加应力下，单个?a?位错可以分解为 {101ˉ1} 孪晶核心 [22]。最近，?a?位错的基面分解与?a?位错交滑移 enabled {101ˉ1} 孪生之间的竞争得到了全面讨论 [23]。当基面滑移在高应变下受到约束或抑制时，有利于?a?位错交滑移 enabled {101ˉ1} 孪生 [23,24]。由于 c 轴压缩下?a?滑移因零施密特因子而不活动，?a?位错触发的 {101ˉ1} 孪生无法运作，导致微/纳米尺寸单晶在压缩下缺乏这种孪生模式 [[25], [26], [27]]。这种 {101ˉ1} 孪晶的非均匀形核机制 [23,24] 解释了单晶微压缩实验中 {101ˉ1} 孪生模式明显缺失的原因。

与位错介导的孪晶形核相比，晶界（GBs）可能是孪晶形核的位置，因为它们可以提供发射位错的来源，并容纳形成稳定孪晶核心所需的复杂原子重排。此外，晶界处的线缺陷在线感觉和伯格斯矢量方面可能具有各种特征。预期晶界处线感觉平行于畸变面法线且伯格斯矢量接近 TD 伯格斯矢量的线缺陷，将成为产生 TD 的首选来源，从而导致变形孪晶。晶界处的高应力集中进一步促进了产生必要孪生位错的缺陷反应。尽管直接实验观察晶界处的孪晶形核很困难，但以前的研究表明，晶界可以作为镁中 {101ˉ2} 孪晶的有效形核位置 [20,28,29]。原子模拟显示，{101ˉ2} 孪晶通过晶界位错的分解在晶界处形核 [29,30]，实验揭示了镁 - 镓 - 钇合金中源自不对称倾侧晶界局部刻面和三晶界处孪晶胚胎 [20]。然而，晶界介导的 {101ˉ1} 孪生的可能性很少受到关注。

对于 {101ˉ1} 孪晶，与 B/Py 台阶相关的线缺陷将满足这样的条件，因为 ledge 平行于带轴<112ˉ0>，且伯格斯矢量可以用 TD 的组合来描述 [15,31]。在本工作中，基于原子模拟和缺陷理论分析，我们展示了多晶镁中由 B/Py 界面介导的 GB 介导的 {101ˉ1} 孪生机制。构建了多晶镁模型以系统地研究 {101ˉ1} 孪生过程。我们表明，多晶镁中的 {101ˉ1} 孪生与晶界构型的动态调整有关，而 B/Py 界面转变为 {101ˉ1} 或 {101ˉ3} 共格孪晶界（CTB）在此晶界介导的孪生过程中起着关键作用。这项工作为多晶镁中的压缩孪生提供了新见解。

章节片段

方法

建立 [21ˉ1ˉ0] 织构多晶镁样品以研究 {101ˉ1} 孪生机制，这些样品是通过使用 Atomsk 软件的 Voronoi 镶嵌方法创建的 [32]。首先，建立一个参考单胞，使其 [21ˉ1ˉ0] 方向与多晶模型的 z 轴对齐。然后，以此参考单胞为基线，通过绕 z 轴旋转生成剩余的晶粒，确保每个晶粒的 [21ˉ1ˉ0] 方向

多晶镁中晶界的结构演化

退火后在多晶镁样品中观察到晶界的显著结构转变（图 1(b)）。通过对十个多晶样品中各种取向差角 (θ) 和倾角 (φ) 的 [21ˉ1ˉ0] 倾侧晶界进行统计分析，我们确定了两种与应用应变下 {101ˉ1} 孪生相关的晶界类型（图 S2）。第一种类型是取向差角 θ 大约接近 {101ˉ1} 孪晶取向差的 [21ˉ1ˉ0] 倾侧晶界

讨论

基于原子模拟，我们发现多晶镁中的 {101ˉ1} 孪生源于晶界构型的动态调整，这诱发了 {101ˉ1} CTB 段的生成。台阶化晶界和分解晶界可以作为这种晶界介导的 {101ˉ1} 孪生的来源。晶界台阶化转变在金属中广泛观察到，其中晶界由于总界面能最小化而分解为沿界面排列的一系列刻面 [48,49]。

结论

我们研究了 [21ˉ1ˉ0] 织构多晶镁样品的结构演化，并基于 MD 模拟揭示了晶界介导的 {101ˉ1} 孪生机制。主要结论如下：

(1) 两种类型的 [21ˉ1ˉ0] 倾侧晶界可以作为 {101ˉ1} 孪生的来源。第一种是取向差角大约为 112° < θ < 130° 的台阶化晶界，它可以演变为一种台阶结构，其特征是包含一系列 {101ˉ1} CTB 和 B/Py 界面的交替序列。第二种是 Xin-Yao Li|Ya-Fang Guo|Wei-Lin Ma|Jian Wang