浙大《MT Nano》：推翻实际！TWIP钢位错近比孪晶紧张

导读：近来人们对形变孪晶在应变硬化和塑性方面的主导作用孕育发生了严峻的猜疑，这在孪晶诱导塑性(TWIP)钢中一向被以为是天经地义的。本文通过透射电镜观看了一个典范的Fe-30Mn-3Si-3Al (wt. %) TWIP钢的动态变形历程，发觉是位错运动而不是孪晶支配着整个塑性历程，包罗平面滑移，格外是位错的交织滑移，导致位错的猛烈相互作用。因为裂纹尖端前的位错运动，可以看到意想不到的纳米晶天生。别的，主导的位错塑性一向连续到低温。现在的效果证明白林位错硬化的要害作用，并展现了TWIP钢的变形机理，颠覆了传统认知。

孪晶诱导塑性(TWIP)钢一向受到人们的存眷，此中塑性重要来自形变孪晶（DT），通常称为TWIP效应。孪晶界限(TBs)普通因为渐渐孪晶化而成为有用制止位错活动的停滞，并渐渐淘汰位错的均匀自由程，导致动态Halle-Petch效应。是以，TWIP效应的焦点在于由作为要害机制的DT引起的特别应变硬化。是以，得到了优秀拉伸强度和优秀的延展性之间的精良均衡。别的，具有TWIP效应的合金总是具有高断裂韧性和抗委顿性能。然而，TWIP效应近来在TWIP钢中碰到了挑衅。

追溯TWIP效应，DT对塑性的奉献重要来自以下三个方面: (1)形变孪晶的形成顺应塑性应变；(2) TBs是位错活动的屏蔽；(3) TBs为成核和调治位错提供了充足的位置。相比之下，人们恒久以来以为位错举动是可以纰漏的。这种想法变得越发猛烈，格外是由于在具有低堆垛层错能(SFE)的面心立方(fcc)布局的种种TWIP钢中，除了平面滑移之外，没有位错的晶粒内交织滑移。然而，扩展位错的交织滑移对加工硬化起着要害作用，由于交织滑移面上的溶解部门大概相交形成Lomere-Cottrell锁，这格外有助于加工硬化。

DT是通过TBs事情的。假如TBs预先嵌入晶粒中(如纳米孪晶金属)，通过加强位错介导的塑性来孕育发生位错和与TBs的强相互作用，从而实现应变硬化。然而，TWIP钢中TBs的密度和间距通常比纳米孪晶金属中的低至少一个数目级。是以，位错塑性可以自由运作。近来，显现了一些效果来质疑热变形是否在TWIP钢的应变硬化中起主导作用。比方，在Fe-18Mn-0.6C-1.5Al-0.8Si(wt.%)的TWIP钢中，是林位错硬化而不是DT导致高达90%的流淌应力。

基于此，浙江大学余倩传授团利用透射电子显微镜(TEM)对典范的Fe-30Mn-3Si-3Al (wt%) TWIP钢中的位错运动举行了细致的原位观看，以研究位错在应变硬化中的作用。在裂纹尖端孕育发生纳米晶粒的同时，还观看到位错的交织滑移和位错的猛烈相互作用，这评释在高SFE的一般fcc金属中存在大量的位错存储。同时，研究效果评释，在TWIP钢的塑性变形历程中，位错运动而不是DT运动对应变硬化起重要作用。相干研究效果以题“Dislocation plasticity reigns in a traditional twinning-induced plasticity steel by in situ observation”颁发在期刊国际顶级质料期刊Materials Today Nano上。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.mtnano.2018.11.004

研究效果评释位错运动在顺应塑性应变中起着非常紧张的作用。格外是，在TWIP钢的塑性变形历程中显现大量的横向滑移，曩昔这种看法被以为是不行能的。交织滑移通常简单产生在高SFE金属中。螺旋位错脱离它的滑动面并流传到共轭面。如许的历程可以低落内应力场，比方，通过位错聚集。由此可见，横向滑移在宏观塑性中起着要害作用，以低落第三阶段硬化时期的应变硬化率。相比之下，因为位错的破裂，低SFE使横向滑移变得困难。

图1 孪晶界作为位错滑移路径和停滞对塑性变形孕育发生影响。(a)位错阵列在变形孪晶界上移动。(b)位错聚集在生长孪晶界和位错分列在孪晶界上。

滑移的完全位错由被堆垛层错离开的两个离解部门构成。SFE越低，堆垛层错越宽。两个部门之间的这种大的隔断按捺了交织滑移，并使位错构造成更匀称的位错布局，比方图2(a)所示的平面阵列。

图2 室温下孪晶诱导塑性钢中的位错运动和位错原子布局。(a)部门位错的平面滑移。(b)位错的交织滑移(用赤色和蓝色虚线表现)。(c)交织滑移位错和全Burgers矢量的原子布局确定为1/2[-101]；波束偏向(BD)=[110]。(d)交织滑移位错和另一主滑移面位错的位错反响。

横向滑移有助于在几个方面加强塑性和应变硬化。起首，位错交织滑移一定消除分支之间的堆垛层错。是以，必要一个高的外加应力来激活拖尾部门的滑移。第二，交织滑移增添了位错-位错相互作用的大概性，这是通过消除应变早期形成的缠结位错实现的。最终，横向滑移增添了差别滑移面中位错相交的大概性，是以，有利于孕育发生差别的滑移、毗连和锁定，这是应变硬化的一个紧张机制。

图3 宏观拉伸变形孪晶诱发塑性钢中孪晶的漫衍。(a)反极图和(b)TWIP钢在0.65应变下的电子反向散射衍射谱图。(b)中的红线表现孪生界限。(c)表现机器孪晶间距和厚度的亮场图像。

图4 单晶在裂纹尖端变化为纳米晶。(a)(c)变形前后晶格的高辨别率透射电镜图像。右上角表现了相应的衍射图案。最初的电子束偏向是[110]，最终酿成多晶环。(b)纳米化历程中的部门位错滑移。多个位错滑移用蓝色箭头表现。

图5 机器性能和位错运动的温度依靠性。(a)拉伸应力应变曲线的温度依靠性，此中样品在液氮温度(LNT)和室温(RT)下变形。(b)明场图像表现位错在-120 ℃细致的交织滑移。(c)明场图像表现位错在-120 ℃动态交织滑移。

综上所述，本文初次展示了TWIP钢拉伸变形历程中大量横向滑移的试验证据。这个效果为了解TWIP钢中DT和位错运动的影响提供了新的视角，有助于得到高抗拉强度和高延展性。（文：佳慧）