浙江大学《MT Nano》：颠覆理论！重新认识TWIP钢，位错远比孪晶重要！ - 知乎

　　导读：最近人们对形变孪晶在应变硬化和塑性方面的主导作用产生了严重的怀疑，这在孪晶诱导塑性(TWIP)钢中一直被认为是理所当然的。本文通过透射电镜观察了一个典型的Fe-30Mn-3Si-3Al (wt. %) TWIP钢的动态变形过程，发现是位错活动而不是孪晶支配着整个塑性过程，包括平面滑移，特别是位错的交叉滑移，导致位错的强烈相互作用。由于裂纹尖端前的位错活动，可以看到意想不到的纳米晶生成。此外，主导的位错塑性一直持续到低温。目前的结果证明了林位错硬化的关键作用，并揭示了TWIP钢的变形机理，颠覆了传统认知。

　　孪晶诱导塑性(TWIP)钢一直受到人们的关注，其中塑性主要来自形变孪晶（DT），通常称为TWIP效应。孪晶边界(TBs)一般由于逐渐孪晶化而成为有效阻止位错运动的障碍，并逐渐减少位错的平均自由程，导致动态Halle-Petch效应。因此，TWIP效应的核心在于由作为关键机制的DT引起的异常应变硬化。因此，获得了优异拉伸强度和优异的延展性之间的良好平衡。此外，具有TWIP效应的合金总是具有高断裂韧性和抗疲劳性能。然而，TWIP效应最近在TWIP钢中遇到了挑战。

　　追溯TWIP效应，DT对塑性的贡献主要来自以下三个方面: (1)形变孪晶的形成适应塑性应变；(2) TBs是位错运动的屏障；(3) TBs为成核和调节位错提供了足够的位置。相比之下，人们长期以来认为位错行为是可以忽略的。这种想法变得更加强烈，特别是因为在具有低堆垛层错能(SFE)的面心立方(fcc)结构的各种TWIP钢中，除了平面滑移之外，没有位错的晶粒内交叉滑移。然而，扩展位错的交叉滑移对加工硬化起着关键作用，因为交叉滑移面上的溶解部分可能相交形成Lomere-Cottrell锁，这特别有助于加工硬化。

　　DT是通过TBs工作的。如果TBs预先嵌入晶粒中(如纳米孪晶金属)，通过增强位错介导的塑性来产生位错和与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量级。因此，位错塑性可以自由运作。最近，出现了一些结果来质疑热变形是否在TWIP钢的应变硬化中起主导作用。例如，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%的流动应力。

　　基于此，浙江大学余倩教授团使用透射电子显微镜(TEM)对典型的Fe-30Mn-3Si-3Al (wt%) TWIP钢中的位错活动进行了详细的原位观察，以研究位错在应变硬化中的作用。在裂纹尖端产生纳米晶粒的同时，还观察到位错的交叉滑移和位错的强烈相互作用，这表明在高SFE的普通fcc金属中存在大量的位错存储。同时，研究结果表明，在TWIP钢的塑性变形过程中，位错活动而不是DT活动对应变硬化起主要作用。相关研究结果以题“Dislocation plasticity reigns in a traditional twinning-induced plasticity steel by in situ observation”发表在期刊国际顶级材料期刊Materials Today Nano上。

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

　　研究结果表明位错活动在适应塑性应变中起着非常重要的作用。特别是，在TWIP钢的塑性变形过程中出现大量的横向滑移，以前这种观点被认为是不可能的。交叉滑移通常容易发生在高SFE金属中。螺旋位错离开它的滑动面并传播到共轭面。这样的过程可以降低内应力场，例如，通过位错堆积。由此可见，横向滑移在宏观塑性中起着关键作用，以降低第三阶段硬化期间的应变硬化率。相比之下，由于位错的分裂，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障碍对塑性变形产生影响。(a)位错阵列在变形孪晶界上移动。(b)位错堆积在生长孪晶界和位错排列在孪晶界上。

　　滑移的完全位错由被堆垛层错分开的两个离解部分组成。SFE越低，堆垛层错越宽。两个部分之间的这种大的间隔抑制了交叉滑移，并使位错组织成更均匀的位错结构，例如图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活动和位错原子结构。(a)部分位错的平面滑移。(b)位错的交叉滑移(用红色和蓝色虚线表示)。(c)交叉滑移位错和全Burgers矢量的原子结构确定为1/2[-101]；波束方向(BD)=[110]。(d)交叉滑移位错和另一主滑移面位错的位错反应。

　　横向滑移有助于在几个方面增强塑性和应变硬化。首先，位错交叉滑移必须消除分支之间的堆垛层错。因此，需要一个高的外加应力来激活拖尾部分的滑移。第二，交叉滑移增加了位错-位错相互作用的可能性，这是通过消除应变早期形成的缠结位错实现的。最后，横向滑移增加了不同滑移面中位错相交的可能性，因此，有利于产生不同的滑移、连接和锁定，这是应变硬化的一个重要机制。

　　图3 宏观拉伸变形孪晶诱发塑性钢中孪晶的分布。(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)中的红线表示孪生边界。(c)显示机械孪晶间距和厚度的亮场图像。

　　图4 单晶在裂纹尖端转变为纳米晶。(a)(c)变形前后晶格的高分辨率透射电镜图像。右上角显示了相应的衍射图案。最初的电子束方向是[110]，最后变成多晶环。(b)纳米化过程中的部分位错滑移。多个位错滑移用蓝色箭头表示。

　　图5 机械性能和位错活动的温度依赖性。(a)拉伸应力应变曲线的温度依赖性，其中样品在液氮温度(LNT)和室温(RT)下变形。(b)明场图像显示位错在-120 ℃详细的交叉滑移。(c)明场图像显示位错在-120 ℃动态交叉滑移。

　　综上所述，本文首次展示了TWIP钢拉伸变形过程中大量横向滑移的实验证据。这个结果为理解TWIP钢中DT和位错活动的影响提供了新的视角，有助于获得高抗拉强度和高延展性。（文：佳慧）