多晶體材料的塑性變形受到多種結構元素協(xié)同演化的影響，包括晶界（GBs）、孿晶（與孿晶界TBs相關）和三重節(jié)點（TJs）。在熱機械加工過程中，晶界變形和孿晶行為對納米晶體材料的塑性和再結晶起到了至關重要的作用。近年來，研究者們提出了多種機制來解釋以晶界為主的塑性，例如晶界遷移、滑移和晶粒旋轉等，并通過位錯動力學或不全位錯動力學模型闡明了這些機制的原子起源。同時，孿晶作為另一重要塑性來源，其行為受層錯能、晶粒尺寸、溫度和應變速率等因素影響。不同的孿晶機制已經(jīng)被提出，如從晶界和孿晶界發(fā)射部分位錯、晶界分裂和遷移以及在孿晶界的部分位錯增殖。

然而盡管已有大量關于晶界動力學或?qū)\晶動態(tài)的研究，但目前對于晶界塑性和孿晶塑性之間的耦合關系及其如何影響晶界網(wǎng)絡的演變和孿晶動態(tài)的理解仍然非常有限。在實際多晶體中，TJs作為連接相鄰晶界的必要且普遍存在的組成部分，可以作為孿晶優(yōu)先發(fā)生的地點，強化動態(tài)再結晶過程。此外，在面心立方（FCC）金屬中，經(jīng)過劇烈塑性變形或退火條件下，通常會觀察到多重孿晶的形成，這通常歸因于晶界塑性和孿晶塑性的協(xié)同作用。這些結構演化的場景強調(diào)了晶界塑性和孿晶塑性之間頻繁的相互作用，預計會對整個晶界網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)演化產(chǎn)生重大影響。因此，深入理解這兩種塑性形式之間的強耦合關系，對于防止晶界過早開裂并增強材料的延展性具有重要意義。本研究通過原位納米力學測試，揭示了晶界塑性和孿晶塑性可以在不同變形特征下強烈耦合，包括從晶界發(fā)出的片狀孿晶、與晶界分裂相關的孿晶、從三重節(jié)點發(fā)出的孿晶以及由晶界介導的分層孿晶。這種耦合為理解復雜微觀結構演化提供了新的視角，特別是缺陷-界面相互作用在多晶體材料中的作用。

針對上述問題，浙江大學等研究團隊利用澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)進行了深入研究，他們揭示了晶界塑性和孿晶塑性可以在多種變形特征下強烈耦合，這一發(fā)現(xiàn)對于理解復雜微觀結構演化，特別是缺陷-界面相互作用在多晶體材料中的作用提供了新的視角。相關成果以“Grain boundary plasticity and twinning plasticity can be strongly coupled”為題發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》期刊上。

論文的主要研究內(nèi)容聚焦于晶界（GB）塑性和孿晶塑性之間的強耦合關系，這是通過原位納米力學測試在面心立方（FCC）金屬中系統(tǒng)性地探究出來的。研究人員揭示了這兩種塑性形式可以在多種變形特征下緊密關聯(lián)，包括從晶界發(fā)出的片狀孿晶、與晶界分裂相關的孿晶、從三重節(jié)點（TJs）發(fā)出的孿晶以及由晶界介導的分層孿晶。這些與晶界和三重節(jié)點相關的孿晶模式通常源自宏觀和微觀自由度的綜合效應，作為有效緩解局部應力集中的途徑，這反過來提供了調(diào)整晶界移動性和促進整個界面網(wǎng)絡協(xié)調(diào)演化的可能性。

圖 晶界（GB）變形對片狀孿晶的影響

研究表明，晶界變形可以激活孿晶行為，而孿晶行為又會對晶界的動態(tài)產(chǎn)生反作用，顯著影響多晶體材料的機械性能。例如，大的晶界臺階容易成為高局部應力/應變累積點，從而促進缺陷介導的孿晶；同時，晶界上的自由體積特征也與孿晶的發(fā)射密切相關，尤其是在具有大量自由體積的一般彎曲晶界上。此外，從晶界發(fā)出的孿晶還可以進一步分割晶界并改變其錯向角，進而影響相鄰晶界段的移動性，導致不同段落間的非協(xié)同運動。對于從晶界核發(fā)的分裂型孿晶，則可以通過完全改變晶界的結構來影響其變形，使原本低移動性的晶界增強其移動能力，從而維持整個晶界網(wǎng)絡的延展性。

圖 晶界分裂對孿晶動力學的影響

特別值得注意的是，三重節(jié)點由于連接相鄰晶界，在多晶體空間中扮演著重要角色，并且由于較大的自由體積和變形不兼容性，它們往往是孿晶啟動的優(yōu)選位置。這種從三重節(jié)點發(fā)出的孿晶不僅為三重節(jié)點提供了額外的變形適應機制，還有效地抑制了這些位置的過早裂紋萌生，促進了整個界面網(wǎng)絡和晶粒結構的協(xié)調(diào)演化。綜上該研究提供了一個理解復雜微觀結構演變的新視角，特別是關于缺陷-界面相互作用在多晶體材料中的作用，這對于防止晶界過早開裂并增強材料的延展性具有重要意義。

圖 晶界變形與孿晶在其他金屬系統(tǒng)中的耦合