南京理工研究生院(南京理工大学研究生院)

南京理工研究生院，南京理工大学研究生院

纳米金属由于明显的尺寸效应往往表现出优异的力学性能，这源于纳米尺度下位错、孪晶等形变要素独特的演变方式。然而，目前对应力作用下原子尺度动态演变过程的实验研究十分有限，相关的变形机制还有待阐明。

近日，南京理工大学材料学院/格莱特研究所讲师寇宗德针对面心立方（fcc）结构金属材料中孪晶与位错交互作用行为的原子尺度透射电镜原位拉伸研究成果，分别被国际知名期刊《Nano Letters》和《Scripta Materialia》接收发表。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01763

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114956

作者基于前期工作开展了原子尺度下位错与孪晶交互作用行为的研究，在fcc结构纯Al中发现了一种点阵位错被纳米孪晶“运输”的奇特行为：点阵位错首先通过位错反应转变为孪晶界（TB）上的固着台阶（sessile step）; 伴随着台阶处弗兰克不全位错（Frank partial）的攀移，固着台阶在应力作用下继续向前迁移；最后，当台阶迁移至孪晶尖端（twin tip）时，相邻台阶处的Frank位错滑移会引发twin tip的瞬时湮灭，同时发射出一个点阵位错，其伯氏矢量（Burgers vector）与初始状态完全一致。通过反傅里叶转变方法及位错守恒原则，作者追踪了一个特定的点阵位错，证实了上述过程。通过计算位错运动驱动力和位错反应能量差，作者提出Al的高层错能和裂纹尖端的高应力状态之间的竞争与协同作用，是导致位错与孪晶这一独特交互行为的主要原因。

该项工作丰富了人们对孪晶界和位错运动关系的认知，提出了一种点阵位错借助周期性孪生和退孪生行为而改变位置的特殊运动机制。相关成果以“Observing Dislocations Transported by Twin Boundaries in Al Thin Film: Unusual Pathways for Dislocation−Twin Boundary Interactions”为题发表在《Nano Letters》上，第一作者为南京理工大学讲师寇宗德，通讯作者为南京理工大学冯涛教授、兰司教授、唐颂副教授和南京航空航天大学杨丽霞博士。

图1. （a-h）纯Al裂纹尖端一个点阵位错（绿色箭头指出）被孪晶“运输”过程的原位高分辨透射电子显微图像；（i）用来计算界面台阶伯氏矢量的双色图。

受上述工作启发，为了研究共格孪晶界上固着台阶这种特殊的界面缺陷，作者又以较低层错能的fcc结构纯Cu为对象，开展了针对位错-孪晶和孪晶-孪晶交汇点处界面台阶演化过程的原位观察。通过引入三色图（trichromatic complex）和几何相位分析（GPA）,精准解析了各演化过程所对应的位错反应及应力状态。实验研究发现，固着台阶可以作为孪生位错（TD）的有效位错源引发孪晶界的迁移和二次孪晶的形成，并得到了分子动力学（MD）模拟的验证。此外，点阵位错还可以在孪晶-孪晶交汇点处湮灭，同时沿不同的孪生体系激发出孪生位错。

该项工作从原子分辨率为孪晶界上固着台阶作为位错的形核点和湮灭点提供了直接可信的证据，为含孪晶材料力学行为的解释提供了依据。相关成果以“Revealing the atomic-scale evolution of sessile disconnections on twin boundaries during deformation”为题发表在《Scripta Materialia》上，第一作者为南京理工大学讲师寇宗德，通讯作者为南京理工大学兰司教授、唐颂副教授和南京航空航天大学杨丽霞博士。

图2. （a-c）纯Cu中一个点阵位错在孪晶-孪晶交汇的固着台阶处湮灭，并激发孪生位错形成的高分辨透射电子显微图像及其对应的几何相位分析图；（d）用来分析固着台阶伯氏矢量的三色图；（e）实验结果的机理示意图。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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