在标准负载条件下，在具有非常高层错能（SFE）的块状面心立方（FCC）合金中很少发现变形孪晶。本次工作基于准静态拉伸实验的结果，报告了微米级成分复杂钢（CCS）中的变形孪晶，其SFE高达~79mJ/m²，远高于孪晶的SFE机制（<~50mJ/m²）FCC钢。通过成分自由度实现的双纳米沉淀使CCS具有高达1.9GPa的超高真应力。强化作用增强了流动应力，达到了机械孪晶开始的高临界值。反过来，纳米孪晶的形成能够实现进一步的应变硬化和增韧机制，从而提高力学性能。高应力孪晶效应引入了迄今为止尚未开发的强化和增韧机制，从而能够设计具有改进力学性能的高SFEs合金。

中南大学、南方科技大学、德国马普所等单位的研究人员合作的此项成果以题目为“High stress twinning in a compositionally complex steel of very high stacking fault energy”发表在《Nature Communications》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31315-2

控制金属材料机械性能的塑性变形机制包括位错、孪晶、堆垛层错和位移相变。虽然前一种缺陷（即位错）的运动保持晶格相干性，但后三种机制会产生对称性破坏，表现为密集原子平面的堆叠顺序的变化。这种晶体缺陷称为堆垛层错，其相关的能量损失称为堆垛层错能（SFE）。在运动学上，孪晶、堆垛层错和位移相变由部分位错携带，具有比完全晶格位错更小的自能，但是当被激活时，部分位错将晶格局部转变为错误的构型，从而产生堆垛层错。出于这个原因，孪晶、堆垛层错和位移相变可以赋予金属优异的应变硬化特性，但在具有相对较高SFE的块状材料中通常不存在，例如纯Al（166mJ/m²）和Ni（125mJ/m²），其中竞争位错滑移在能量上成本更低。因此，除了一些极端情况，例如在微压痕下纳米晶Al薄膜的变形或暴露于大应变率的块状Al时，高SFE材料的变形行为受位错支配。因此，具有高SFE的块状合金直到今天还没有发挥出由机械孪晶和堆垛层错提供的出色应变硬化潜力。

根据过去几十年进行的先前研究，在具有高SFE的拉伸载荷Fe-Mn-Al-C钢中也没有发现变形孪晶（孪晶上限约为50mJ/m²），这是一种很有前途的材料类别由于其低质量密度、优异的机械性能和低成本，适用于高要求的工程应用。Fe-Mn-Al-C轻钢的变形最初以位错的平面滑移为主，随着变形的进行，它进一步演变成由高密度位错组成的滑带。尽管对于这些合金来说，更高的强度-延展性体系仍然无法获得，因为可用的应变硬化机制仍然局限于位错及其与晶界和析出物的相互作用。孪晶诱导塑性（TWIP）效应作为一种高效的应变硬化和增韧机制，可实现有吸引力的机械性能，由于它们的高SFE，这些材料仍然无法获得。

本文报告了SFE约为79mJ/m²的轻质成分复杂钢（CCS）中的变形孪晶和相关的高强化效应。如上所述，在准静态拉伸载荷条件下，具有如此高SFE的散装材料通常不可能发生变形孪晶。CCS是通过将高熵合金（HEA）的概念应用于传统轻质Fe-Mn-Al-C钢的重新设计而开发的一类材料。由高熵概念引入的成分自由度允许将材料的整体成分转变为形成独特的双纳米沉淀混合物的状态κ-碳化物（有序面心立方，FCC）和B2（有序体心立方，BCC）相成为可能，产生激活机械孪晶所需的高强度。

图1 aEBSDIPF图。bEBSD相位图。cBFSTEM图像。

图2  a 在应变速率为10^-3s^-1的情况下，CCS的真实拉伸应力-应变曲线。插图示意性地显示了大块拉伸样品的几何形状。与我们的CCS具有相似SFE的四种典型轻钢的真实应力-应变曲线（Fe-27Mn-12Al-0.9C、Fe-30Mn-11Al-4Mo-1.1C、Fe-30Mn-8Al-1.1C和Fe-29Mn-9Al-1.6Si-1.2C）作为比较显示。b 局部应变为70%时CCS的变形子结构。红色箭头表示纳米双胞胎。c 高分辨率HAADF图像显示变形纳米孪晶的原子结构。TB表示孪晶界。d 确认孪晶结构的FFT模式。

图3  a 在拉伸加载之前 CCS 的起始微观结构。b 位错滑移在变形的早期阶段占主导地位。c 裂纹成核时在不同区域形成机械孪晶。d 裂纹向不同晶粒扩展，而B2与奥氏体基体界面处的断裂受到抑制。g和h中插入的SAED图揭示了孪生结构。LD表示加载方向。

图4  a裂纹区域附近的孪晶和堆垛层错。b孪生。c堆垛层错。

本文的CCS所产生的优异机力学性能源于以两个主要思想为指导的特定合金设计策略：（1）采用HEA概念重新设计轻钢，提高其成分的复杂性，在CCS中实现以前无法实现的双纳米沉淀系统。这些纳米沉淀物通过位错绕过和切削显着强化合金，导致高应变硬化。（2）在更高的变形下，高应力水平是由增加的位错密度以及位错和纳米沉淀物之间相关的复杂相互作用引起的，允许激活奥氏体基体中以前无法实现的变形诱导纳米孪晶机制。纳米孪晶的形成反过来可以在变形的后期阶段实现进一步的应变硬化和增韧储备，这抵消了软化和应变局部化，如在一些HEA和轻质钢中所见。

这种合金设计策略成功的事实传达了一个重要且普遍的经验：只要可以通过其他应变达到所需的高强度水平，就可以对具有高SFE的材料进行重新建模以激活机械孪晶并将其用于强化。因此，此工作修正了在准静态加载条件下在高SFE材料中无法实现机械孪晶这一共识，通过表明当竞争变形机制（通常是位错运动）的激活应力为足够高而不达到断裂强度。

在当前的CCS中，由于变形孪晶导致奥氏体基体的强度和应变硬化增强，以及B2沉淀物的共同变形，有助于避免奥氏体之间非共格界面处的应力局部化/κ-碳化物和B2相。此外，纳米孪晶的形成可以阻止裂纹的传播，从而产生显着的增韧效果。所有这些机制都延缓了裂纹的成核和扩展，这在B2强化FCC基合金中很常见，并且对合金的延展性显着不利。因此，即使在合金更脆的高应力水平（~1.9GPa）下，CCS也能实现出色的拉伸伸长率（~30%）。

总之，本文展示了在具有非常高SFE（~79mJ/m²）的基于FCC的轻质CCS（毫米级）的准静态拉伸测试期间变形纳米孪晶的激活，这是一种有趣的机制组合。由于双纳米沉淀κ-碳化物和B2相，通过特定的合金设计策略，CCS显示出非常高的拉伸应力，从而达到了迄今为止传统轻钢无法达到的临界孪晶应力。高应力孪晶现象在变形后期提供了显着的应变硬化，从而抑制了基体和B2相之间非共格界面处裂纹的形核，从而导致材料具有优异的延展性。因此，研究报道了一种有前途的设计策略，通过触发具有高SFE的高性能结构材料中以前无法实现的变形机制，以提高其机械性能。