Au纳米晶体在剪切加载下通过孪晶界滑移主导的塑性变形机制

孪晶界是一种具有完美对称性的共格面缺陷，可赋予金属材料更好的综合性能，例如高强度、延展性、抗疲劳性能和良好的电导率等。其中，孪晶界对于材料力学性能的调控主要源于孪晶界与位错的交互作用，包括位错形核、塞积与穿越等；另一方面，位错沿孪晶界运动会导致孪晶界迁移和退孪晶，从而贡献一定的塑性，但也会导致材料软化。值得注意的是，孪晶界-位错的交互作用在一定程度上抑制了孪晶界的本征变形，孪晶界动力学行为及其转变机制尚不清楚。块体材料中，晶界等几何约束不可避免地会与孪晶变形密切耦合，难以针对性地研究孪晶本征的塑性变形行为。因此，具有可控孪晶界密度和取向的金属纳米晶体是研究纳米孪晶本征塑性变形机制的理想模型。

近日，浙江大学材料科学与工程学院张泽院士-王江伟研究员团队、浙江大学交叉力学中心杨卫院士-周昊飞研究员团队与美国佛蒙特大学Fredric Sansoz教授合作，利用原位TEM纳米力学测试方法揭示了Au纳米晶体在剪切加载下通过孪晶界滑移主导的塑性变形机制，并结合分子动力学和有限元模拟，系统研究了孪晶取向和几何形貌对孪晶界滑移机制的影响，构建了取向依赖的孪晶界本征塑性变形-脆性断裂转变机理图。相关成果以“Revealing extreme twin-boundary shear deformability in metallic nanocrystals”为题发表在Science Advances上，文章图片获选网站featured image。

论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe4758  

研究人员首先利用原位焊接技术制备了包含多条平行孪晶界的Au纳米晶体，如图1A。在平行于孪晶界的剪切加载下，TB1和TB2之间通过表面形核产生大量Shockley不全位错并诱发退孪晶；同时，在TB1与右侧表面相交处由孪晶界滑移诱发的台阶逐渐扩大（图1B-C）。Au纳米晶体后续的剪切变形由沿TB1的连续滑出主导，最终在TB1和TB2之间实现364%的剪切应变（图1D-F）。

图1. 剪切加载下Au纳米晶体的大范围塑性变形。（A）Au纳米晶体的初始构型。（B-C）TB1和TB2之间的位错表面形核与退孪晶。（D-F）TB1连续滑出导致Au晶体发生大范围剪切变形。  

原子尺度动态分析表明，Au纳米孪晶的塑性变形由4种特征的位错机制参与（如示意图2A）。这4种不同位错对应特征的柏氏矢量和原子尺度结构演化机制，如图2B-E所示。根据不同位错的特征柏氏矢量，研究人员定量统计了整个加载过程中不同位错机制对纳米晶体剪切应变的累计贡献（图2F）。初始变形阶段（0-250 s），不同位错机制对Au纳米晶体塑性变形的贡献相当。250-580 s，平行于TB的Shockley不全位错和TB全位错机制导致TB1- TB2之间退孪晶和TB1滑移。580 s后，TB1上全位错形核与运动导致孪晶界的持续滑移成为主导机制，最终实现了364%的剪切应变。整个剪切变形过程中，孪晶界滑移的贡献约为总剪切应变的78%，验证了孪晶界滑移机制主导的极端塑性变形能力。

图2. Au纳米晶体剪切变形的原子尺度机制。（A）纳米孪晶中四种位错机制的示意图。（B-E）不同位错的柏氏矢量及原子尺度结构演化。（F）Au纳米晶体剪切变形过程中不同位错机制对应变的累计贡献。  

纳米晶体中孪晶界的塑性变形主要由表面形核主导，因此孪晶界滑移机制的启动显著依赖于纳米晶体表面的原子结构与几何形状。为此，研究人员利用分子动力学模拟对样品表面结构和几何形状的影响开展了对比研究，结果表明在理想光滑表面（圆柱模型，图3A）和纳米孪晶特征的锯齿状表面（图3B）构型下，施密特因子仍然是决定孪晶界变形机制的关键因素，即沿[101]和[112]方向剪切分别导致孪晶界的滑移与迁移（退孪晶）。当相邻孪晶片层的几何形状存在显著变化时，晶界迁移被几何不连续性限制，因此可在[112]剪切下观察到孪晶界滑移主导的剪切变形行为（图3C）。

图3. 几何形貌对孪晶界变形机制的影响。（A1-A3）具有理想表面的Au纳米晶体在[101]-剪切加载下发生孪晶界滑移。（B1-B3）锯齿状纳米孪晶在[112]-剪切加载下孪晶界发生迁移和退孪生。（C1-C3）孪晶片层尺寸的不均匀性导致[112]-剪切加载下发生孪晶界滑移。  

研究人员进一步考察了不同加载方向对孪晶界塑性变形能力的影响。除了平行于孪晶界平面的剪切加载，孪晶界在不同方向的单轴拉伸加载下（孪晶界与拉伸方向的夹角为φ），仍然能保持一定程度的滑移变形能力。然而，当拉伸方向与孪晶界的夹角增大至趋于正交时，Au从孪晶界滑移主导的变形转变为裂纹沿孪晶界的形核与快速扩展。在此基础上，本文对比考察了预置裂纹沿孪晶界扩展和诱发位错形核的临界应力，并提出了定量描述孪晶塑性变形加载方向依赖性的剪切因子χ，与实验中孪晶界滑移-裂纹扩展的转变完全吻合（图4），由此建立了取向依赖的孪晶界本征塑性变形-脆性断裂转变机理图。

图4. 取向依赖的孪晶界本征塑性变形与剪切因子χ曲线。  

本文基于原位力学测试、多尺度模拟和理论计算，揭示了金属纳米晶体中孪晶界的本征剪切变形能力，系统研究了纳米晶体几何形貌、加载方向对孪晶界滑移机制的影响，构建了取向依赖的孪晶界滑移-脆性断裂转变机理图，对深入理解孪晶界的塑性变形能力、提升金属纳米材料的塑性变形能力具有重要指导意义。

本工作得到了国家自然科学基金委的资助。祝祺博士、博士生孔令一和卢海明为论文共同一作，浙江大学王江伟研究员、周昊飞研究员和美国佛蒙特大学Frederic Sansoz教授为论文通讯作者，张泽院士、杨卫院士对本工作提出了宝贵的指导意见。

审核编辑 ：李倩