导读：致密的变形孪晶网络赋予金属和合金前所未有的机械性能。然而，这些分层孪生结构的形成机制仍然存在争议，特别是它们与孪生边界（TBs）的关系。本文研究了面心立方金属材料中 TB 的内在变形能力，其中初级 TB 上的固有扭结被证明有助于形成二级和分层纳米孪晶。这种由缺陷驱动的分层孪晶倾向严重依赖于扭结高度，事实证明这通常适用于具有低堆垛层错能的各种金属和合金，可以通过这种自激活的分层孪生机制构建五重孪生。

缺陷赋予材料多样性的微观结构特征，从而能够控制材料特性。在不同的缺陷中，共格孪晶界 (TB) 是一种广泛存在于工程和生物材料中的对称平面缺陷，它带来了前所未有的特性和功能。原则上，材料的孪晶相关的优异机械性能主要来自于共格 TB 的内在稳定性（具有完美的相干性和极低的过量能量），位错运动的有效障碍，以及与位错的方向相关的相互作用。值得注意的是，所有类型孪晶（包括变形孪晶、生长孪晶和退火孪晶）中的连贯 TB 通常包含大量扭结，这表明它们本质上是不完美的。这些有缺陷的 TB 可以通过孪晶位错/扭结的运动激活 TB 滑动/去孪晶或从扭结引起异质位错成核来促进不同加载条件下的塑性变形。通常，在纳米孪晶 (NT) 材料中存在固有的最大强度，这取决于 TB 间距 。

与其在对齐良好的主孪晶中推动 TB 间距控制强化的极限，具有连贯 TB 密集网络的分级孪晶材料已成为一种新的 NT 材料，其中主孪晶层中的空间已被细分通过自发植入多个滑移系统的屏障，带来进一步提高材料可变形性的潜力。这些层次结构经常在各种具有低堆垛层错能 (SFE) 的金属材料中观察到，包括面心立方 (fcc) 金属 、孪晶诱导塑性钢 、形状记忆合金和高熵合金 (HEA) 。不幸的是，这些分层孪生结构的构建过程在很大程度上仍然未知。

已经提出了几种理论，例如多个孪晶系统的巧合碰撞或由晶界（GB）迁移介导的多重孪晶，所有这些都需要高度特定的条件，可能不足以解释频繁发生分层孪晶。另一方面，最近的实验和模拟结果暗示了初级 TB 的分级孪生机制，因为初级孪晶层内有足够的空间用于分级塑性变形 。然而，与 TB 缺陷和经常观察到的分层孪晶相关的原子变形动力学仍然是一个悬而未决的问题，这阻碍了对分层孪晶结构的操纵以实现金属材料的突破性性能。

在这里，浙江大学张泽院士、杨卫院士等人研究了面心立方金属材料中缺陷 TB 的内在变形能力，使用多尺度原位透射电子显微镜 (TEM) 纳米力学测试和分子动力学 (MD) 模拟，揭示了低 SFE 金属材料中由缺陷 TB 控制的分级孪晶过程的结构和机械起源。缺陷 TB 上预先存在的或变形引起的扭结可以作为二次孪晶的有效成核位点，并在几个具有低 SFE 的代表性 fcc 系统中主导分级孪晶过程，包括 Au、Cu-Al 合金、304L 不锈钢和 CoCrFeMnNi HEA。作为一个几何极端，可以通过包含 TB 扭结的这种分层孪生动力学的顺序激活来生成五重孪晶。这些发现阐明了具有低 SFE 的金属和合金中分层孪晶的普遍内在倾向，相关成果以“Hierarchical twinning governed by defective twin boundary in metallic materials”为题发表在Science Advances上。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8299

图 1。Au中的缺陷TB和TB扭结激活的二次纳米孪晶。

( A ) TEM 图像显示变形后的 Au 中的平行纳米孪晶。箭头表示 TB 缺陷。（B和C）原子分辨率 TEM 图像分别显示了完美的 TB 和包含多个扭结的有缺陷的 TB。（D到G）变形快照显示了从金纳米晶体中的 TB 扭结产生的二次纳米孪晶的成核和生长

图 2。TB扭结自激活形成二次纳米孪晶的原子机制。

（A和B）TB 扭结在部分位错（带有尾随 SF）发射到 T1 之前和之后的原子结构。虚线描绘了 TB 扭结处的晶格畸变，黄色箭头表示沿主 TB 的孪生部分的运动。（C和D）二次纳米孪晶的成核和生长，伴随着多面TB扭结向由C型结构单元组成的倾斜GB片段的演变。（E到H) MD 模拟快照阐明了与次级纳米孪晶 T2 的形成相关的 TB 扭结的演变。（E 和 F）从原发性 TB 上预先存在的六原子层扭结发出的外在 SF。(G) 二次纳米孪晶 (T2) 的形成。(H) 随着 T2 的持续增长，TB 扭结结构演变为 GB 段（取向差为 46°）。扭结界面的连续倾斜的特点是扭结界面和初级TB之间的二面角。( I和J ) 通过几何相位分析获得的水平剪切应变 (ε xy ) 图，表明在 T1 中部分位错发射后，TB 扭结处的局部应力集中释放（由白色圆圈标出）。( ?和L ) 与 T2 的成核和生长相关的扭结演化示意图，这减少了整体边界面积 (αβ' < αβ + ββ')。( M ) 不同特征高度的扭结和扭结迁移的位错发射能垒。( N ) T2 成核和生长时 TB 扭结的过多能量。插图分别展示了扭结倾斜和结构转变关键阶段的原子势能分布。比例尺，1 nm (A) 和 2 nm (E)。

图 3。变形诱导的纳米孪晶在低 SFE 的不同合金中的自倍增。

（A和B）Cu-7 at % Al 微柱中初级 TB 的二次孪晶。(A) 暗场 TEM 图像显示受原位微压缩的 Cu-7 at % Al 柱。黄线和浅蓝色箭头分别表示初级和次级纳米孪晶。(B) 放大图像显示接触表面附近的广泛二次孪生，这是从初级 TB 激活的。插图选择区域电子衍射图案证实了两个孪晶系统的共存。（C和D) 准静态拉伸试验后 304L 奥氏体不锈钢中 TB 引起的缺陷排放。(C) 主 TB 之间的二次滑动（由浅蓝色箭头表示）的广泛激活。(D) 次级纳米孪晶从初级 TB 上的大扭结处成核，并从附近的小 TB 扭结处发射几个 SF（如箭头所示）。（E和F）UFG CoCrFeMnNi HEA 在 77 K 准静态拉伸试验后的分级纳米孪晶（用浅蓝色箭头表示）。（E）透射菊池衍射图像显示变形形态中的二次纳米孪晶（34）。插图暗场 TEM 图像显示了从初级 TB 成核的次级纳米孪晶。(F) UFG CoCrFeMnNi 合金在 293 和 77 K 下分别进行拉伸试验的真应力-应变曲线和相应的应变硬化率曲线。比例尺、100 nm（A 和 B）、20 nm（C）、10 nm（D）和 1 μm（E）。

图 4。从有缺陷的结核病形成五倍双胞胎。

（A和B）T3 从扭结界面的乘积（由白色虚线描绘）。(A) 带有尾随 SF 的 Shockley 部分。(B) 通过连续发射b 3部分形成和生长 T3 。（C和D）通过在 T2 内乘以 T4（在晶体学方面相当于 T1）形成四重孪晶结构。(C) 部分b 4从 T3 和扭结界面之间的连接处成核。(D) 导致形成四重孪生的扭结界面的结构演变。( E和F ) 通过连续发射b 5形成五重孪晶结构TB交叉区域的部分和相关的结构演变。插图展示了五重孪晶的核心结构和相邻 TB 之间的二面角。( G ) MD模拟计算的不同阶双胞胎的过多能量。嵌入二阶孪晶（即TB-GB 结构）中的几何必要GB 急剧增加了总过剩能量，而由于系统能量降低，进一步的双胞胎倍增是有利的。( H ) 不同TB-GB结构的晶粒尺寸依赖性过能量和向错模型预测的理想五重结构孪晶。

我们在这项工作中的多尺度原位实验和模拟阐明了一种通过有缺陷的 TB 在各种金属材料中增殖分层孪晶的内置途径。有缺陷的 TB 的关键作用及其对 SFE 的依赖可以激发对新热处理或预应变工艺的探索。此外，扭结运动和二次孪晶之间预期的取向相关竞争表明，具有低 SFE 的金属材料具有固有的可调节变形能力，这可能有利于各向异性 NT 材料的设计。因此，这项工作中的发现为缺陷工程提供了启示，以潜在地改善金属材料的机械性能。