導讀：致密的變形孿晶網絡賦予金屬和合金前所未有的機械性能。然而，這些分層孿生結構的形成機制仍然存在爭議，特別是它們與孿生邊界（TBs）的關系。本文研究了面心立方金屬材料中 TB 的內在變形能力，其中初級 TB 上的固有扭結被證明有助于形成二級和分層納米孿晶。這種由缺陷驅動的分層孿晶傾向嚴重依賴于扭結高度，事實證明這通常適用于具有低堆垛層錯能的各種金屬和合金，可以通過這種自激活的分層孿生機制構建五重孿生。

缺陷賦予材料多樣性的微觀結構特征，從而能夠控制材料特性。在不同的缺陷中，共格孿晶界 (TB) 是一種廣泛存在于工程和生物材料中的對稱平面缺陷，它帶來了前所未有的特性和功能。原則上，材料的孿晶相關的優異機械性能主要來自于共格 TB 的內在穩定性（具有完美的相干性和極低的過量能量），位錯運動的有效障礙，以及與位錯的方向相關的相互作用。值得注意的是，所有類型孿晶（包括變形孿晶、生長孿晶和退火孿晶）中的連貫 TB 通常包含大量扭結，這表明它們本質上是不完美的。這些有缺陷的 TB 可以通過孿晶位錯/扭結的運動激活 TB 滑動/去孿晶或從扭結引起異質位錯成核來促進不同加載條件下的塑性變形。通常，在納米孿晶 (NT) 材料中存在固有的最大強度，這取決于 TB 間距 。

與其在對齊良好的主孿晶中推動 TB 間距控制強化的極限，具有連貫 TB 密集網絡的分級孿晶材料已成為一種新的 NT 材料，其中主孿晶層中的空間已被細分通過自發植入多個滑移系統的屏障，帶來進一步提高材料可變形性的潛力。這些層次結構經常在各種具有低堆垛層錯能 (SFE) 的金屬材料中觀察到，包括面心立方 (fcc) 金屬 、孿晶誘導塑性鋼 、形狀記憶合金和高熵合金 (HEA) 。不幸的是，這些分層孿生結構的構建過程在很大程度上仍然未知。

已經提出了幾種理論，例如多個孿晶系統的巧合碰撞或由晶界（GB）遷移介導的多重孿晶，所有這些都需要高度特定的條件，可能不足以解釋頻繁發生分層孿晶。另一方面，最近的實驗和模擬結果暗示了初級 TB 的分級孿生機制，因為初級孿晶層內有足夠的空間用于分級塑性變形 。然而，與 TB 缺陷和經常觀察到的分層孿晶相關的原子變形動力學仍然是一個懸而未決的問題，這阻礙了對分層孿晶結構的操縱以實現金屬材料的突破性性能。

在這里，浙江大學張澤院士、楊衛院士等人研究了面心立方金屬材料中缺陷 TB 的內在變形能力，使用多尺度原位透射電子顯微鏡 (TEM) 納米力學測試和分子動力學 (MD) 模擬，揭示了低 SFE 金屬材料中由缺陷 TB 控制的分級孿晶過程的結構和機械起源。缺陷 TB 上預先存在的或變形引起的扭結可以作為二次孿晶的有效成核位點，并在幾個具有低 SFE 的代表性 fcc 系統中主導分級孿晶過程，包括 Au、Cu-Al 合金、304L 不銹鋼和 CoCrFeMnNi HEA。作為一個幾何極端，可以通過包含 TB 扭結的這種分層孿生動力學的順序激活來生成五重孿晶。這些發現闡明了具有低 SFE 的金屬和合金中分層孿晶的普遍內在傾向，相關成果以“Hierarchical twinning governed by defective twin boundary in metallic materials”為題發表在Science Advances上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8299

圖 1。Au中的缺陷TB和TB扭結激活的二次納米孿晶。

( A ) TEM 圖像顯示變形后的 Au 中的平行納米孿晶。箭頭表示 TB 缺陷。（B和C）原子分辨率 TEM 圖像分別顯示了完美的 TB 和包含多個扭結的有缺陷的 TB。（D到G）變形快照顯示了從金納米晶體中的 TB 扭結產生的二次納米孿晶的成核和生長

圖 2。TB扭結自激活形成二次納米孿晶的原子機制。

（A和B）TB 扭結在部分位錯（帶有尾隨 SF）發射到 T1 之前和之后的原子結構。虛線描繪了 TB 扭結處的晶格畸變，黃色箭頭表示沿主 TB 的孿生部分的運動。（C和D）二次納米孿晶的成核和生長，伴隨著多面TB扭結向由C型結構單元組成的傾斜GB片段的演變。（E到H) MD 模擬快照闡明了與次級納米孿晶 T2 的形成相關的 TB 扭結的演變。（E 和 F）從原發性 TB 上預先存在的六原子層扭結發出的外在 SF。(G) 二次納米孿晶 (T2) 的形成。(H) 隨著 T2 的持續增長，TB 扭結結構演變為 GB 段（取向差為 46°）。扭結界面的連續傾斜的特點是扭結界面和初級TB之間的二面角。( I和J ) 通過幾何相位分析獲得的水平剪切應變 (ε xy ) 圖，表明在 T1 中部分位錯發射后，TB 扭結處的局部應力集中釋放（由白色圓圈標出）。( ?和L ) 與 T2 的成核和生長相關的扭結演化示意圖，這減少了整體邊界面積 (αβ' < αβ + ββ')。( M ) 不同特征高度的扭結和扭結遷移的位錯發射能壘。( N ) T2 成核和生長時 TB 扭結的過多能量。插圖分別展示了扭結傾斜和結構轉變關鍵階段的原子勢能分布。比例尺，1 nm (A) 和 2 nm (E)。

圖 3。變形誘導的納米孿晶在低 SFE 的不同合金中的自倍增。

（A和B）Cu-7 at % Al 微柱中初級 TB 的二次孿晶。(A) 暗場 TEM 圖像顯示受原位微壓縮的 Cu-7 at % Al 柱。黃線和淺藍色箭頭分別表示初級和次級納米孿晶。(B) 放大圖像顯示接觸表面附近的廣泛二次孿生，這是從初級 TB 激活的。插圖選擇區域電子衍射圖案證實了兩個孿晶系統的共存。（C和D) 準靜態拉伸試驗后 304L 奧氏體不銹鋼中 TB 引起的缺陷排放。(C) 主 TB 之間的二次滑動（由淺藍色箭頭表示）的廣泛激活。(D) 次級納米孿晶從初級 TB 上的大扭結處成核，并從附近的小 TB 扭結處發射幾個 SF（如箭頭所示）。（E和F）UFG CoCrFeMnNi HEA 在 77 K 準靜態拉伸試驗后的分級納米孿晶（用淺藍色箭頭表示）。（E）透射菊池衍射圖像顯示變形形態中的二次納米孿晶（34）。插圖暗場 TEM 圖像顯示了從初級 TB 成核的次級納米孿晶。(F) UFG CoCrFeMnNi 合金在 293 和 77 K 下分別進行拉伸試驗的真應力-應變曲線和相應的應變硬化率曲線。比例尺、100 nm（A 和 B）、20 nm（C）、10 nm（D）和 1 μm（E）。

圖 4。從有缺陷的結核病形成五倍雙胞胎。

（A和B）T3 從扭結界面的乘積（由白色虛線描繪）。(A) 帶有尾隨 SF 的 Shockley 部分。(B) 通過連續發射b 3部分形成和生長 T3 。（C和D）通過在 T2 內乘以 T4（在晶體學方面相當于 T1）形成四重孿晶結構。(C) 部分b 4從 T3 和扭結界面之間的連接處成核。(D) 導致形成四重孿生的扭結界面的結構演變。( E和F ) 通過連續發射b 5形成五重孿晶結構TB交叉區域的部分和相關的結構演變。插圖展示了五重孿晶的核心結構和相鄰 TB 之間的二面角。( G ) MD模擬計算的不同階雙胞胎的過多能量。嵌入二階孿晶（即TB-GB 結構）中的幾何必要GB 急劇增加了總過剩能量，而由于系統能量降低，進一步的雙胞胎倍增是有利的。( H ) 不同TB-GB結構的晶粒尺寸依賴性過能量和向錯模型預測的理想五重結構孿晶。

我們在這項工作中的多尺度原位實驗和模擬闡明了一種通過有缺陷的 TB 在各種金屬材料中增殖分層孿晶的內置途徑。有缺陷的 TB 的關鍵作用及其對 SFE 的依賴可以激發對新熱處理或預應變工藝的探索。此外，扭結運動和二次孿晶之間預期的取向相關競爭表明，具有低 SFE 的金屬材料具有固有的可調節變形能力，這可能有利于各向異性 NT 材料的設計。因此，這項工作中的發現為缺陷工程提供了啟示，以潛在地改善金屬材料的機械性能。