钛（Ti）合金由于重量轻，强度高，耐腐蚀性和抗断裂性以及出色的生物相容性，广泛用于航空航天工程，化学工业和医疗植入。 变形孪晶是Ti合金中对应于六方紧密堆积（hcp）结构的重要变形机理。在六边形材料中孪晶具有几个特征。孪生是单向的，具有独特的剪切感。与孪生相关的局部剪切变形发生在低剪切应力下，并导致机械不稳定。轧制的六边形金属板通常表现出特征性的纹理成分，晶体c轴优先沿板的法线方向对齐。流动应力演化在面内和贯穿厚度方向之间表现出很强的各向异性。除了导致大多数晶粒的重新定向外，聚集孪晶还显示硬化速率增加，晶粒微观结构随着变形而不断演变。在循环加载或应变路径变化期间，孪生与孪生相互作用，导致形成孪生结，进一步影响连续孪生、二次孪生、解孪晶和开裂。因此，变形孪晶对六方金属的各向异性强度强、变形性差、织构和微观结构演化起着至关重要的作用。

修改孪晶行为可以有效地调整六方金属的机械行为。孪生涉及三个过程：成核、繁殖和生长。孪生成核涉及在孪生平面上同时成核和滑行多个孪生位错或断开（高度为多个原子平面的TDs）或同时洗牌一定体积的原子。尽管已经提出了几种方法来减少孪晶，例如在高温下加工，与适当的元素进行合金化，细化晶粒尺寸和削弱织构，但潜在的机制尚不清楚。相比之下，变形孪生体的传播和生长是通过与原子洗牌相关的孪生边界（TB）上的TD成核和滑行来实现的。实验观察和密度泛函理论（DFT）计算表明，溶质原子可以偏聚成TB，对TBs的迁移产生强烈的固定作用，并相应地强化材料。

在变形孪晶的传播和增厚/生长过程中，TD经常堆积起来，形成原子模拟和实验中观察到的步骤或刻面。例如，沿{101—2} TB 和金字塔-基底/基底-锥体（PyB/BPy）步骤/刻面（金字塔平面在两个颗粒中平行于基底平面）与{101—1}和 {112—2} TB 。这些步骤/面的迁移或滑动在很大程度上影响变形孪晶的传播和增厚。最近，Xu等人观察到{101—2} 顺序孪生以及 {112—1} 孪生，即沿主孪生体 {112—1} 根据承受冲击载荷的钛板的电子背散射衍射（EBSD）表征。更重要的是，这些顺序双胞胎有效地抑制了原代双胞胎的增厚。即使在常规载荷下，这些步骤的迁移通常也会激活基底平面上的位错发射以释放应力/应变浓度。如果基底SFE降低，发射的位错可能是部分位错，部分位错的连续发射可能导致高密度基底堆积断层（BSF）或相变为面心立方（fcc）结构。与孪生繁殖相关的新形成的BSF和FCC结构可以固定TB并影响孪生增厚/生长。这启发了中南大学粉末冶金国家重点实验室等团队的研究，即降低基础SFE对孪生行为的影响。

Al是商用Ti合金中的主要合金元素，因为Al溶质可以定制与不同滑移系统，SFE和孪生活动相关的位错的临界解析剪切应力（CRSS）。在α-TiAl体系中，实验和DFT计算证明Al溶质可以有效降低Ti的基础SFE。此外，在Ti-Al多层层中经常观察到fcc相Ti，这意味着少量Al溶质可能促进hcp到fcc相转化。 因此，通过合金化Al将促进Ti合金中BSF和fcc纳米带的形成。

在这项工作中，中南大学宋旼教授团队表征了Ti-10at.%Al合金的变形机理。通过结合显微镜表征和原子建模，我们证明了通过在Ti中合金化10at.%Al来降低HCP和fcp相之间的基础SFE和内聚相能差，可以促进变形过程中大量BSF和fcc纳米带的形成。因此，这些晶体学缺陷有效地限制了{101—2}变形孪晶，导致Ti-Al合金中的超细鳞片变形孪晶。此外，BSFs和fcc纳米带的容易形成可以有效地放松与双胞胎相互作用相关的局部应力/应变浓度。相关研究成果以题“Influence of lowering basal stacking fault energy on twinning behaviours”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422010126

图 1

（a） 退火Ti-10at.%Al合金的EBSD图案;（b） 退火的 Ti-10at.%Al 合金的 XRD 图谱。

图 2

（a） 用于DFT计算的纯Ti、Ti-5at.%Al和Ti-10at.%Al合金的HCP超级电池;（b） HCP、FCC 和 BSF 超级单体沿 [112—0] 方向;（c）随着Al含量的增加，HCP和FCC结构之间基础SFE和内聚能差异的变化;（d） HCP和BSF的MS/MD模拟模型;（e） 沿[101—0]方向为纯钛，Ti-5at.%Al和Ti-10at.%Al合金。误差线表示由Al原子的不同分布引起的值波动

图 4

（a） 统计分析{101—2}Ti-10at.%铝合金变形后的双厚度;（b） Ti-10at.%Al合金与纯Ti和其他Ti合金中孪生合金的平均孪生厚度比较。

图 5

（一、三）TEM明场图像和（b，d）相应的HRTEM图像{101—2}Ti-10at.%Al合金变形后的双胞胎。

图 6

HRTEM图像{101—2}双胞胎、FCC 纳米带和 BSF/BP/PB 步长处的部分位错：（a-b）{101—2}与基质中的FCC纳米带孪生;（中）{101—2}与BSF和基质中的部分位位孪生

图 8

（一、三）透射电镜明场图像{101—2}双结结和（b，d）相应的HRTEM图像，显示FCC纳米带，BSF和部分位错。

总之，本研究系统的研究了降低基底堆积故障能量对孪生行为的影响，并得出以下结论：

利用Ti-10at.%Al合金研究了降低基础SFE对六方金属孪晶行为的影响。DFT计算和显微镜表征表明，合金化Al元素降低了HCP和FCC结构之间的基底SFE和内聚能差，促进了在变形过程中孪晶之前与fcc纳米带相关的高密度BSFs的形成，从而有效抑制了FCC纳米带的传播和生长。此外，BSF和fcc纳米带可以在孪晶繁殖和双孪生相互作用过程中沿TBs在BP/PBs步阶上成核，放松应力/应变集中并固定TBs。孪晶前的BSF/fcc纳米带和孪生过程中成核的BSF/fcc纳米带协同约束孪晶，导致Ti-10at.%Al合金中超细鳞片变形孪生。这项工作为理解降低基础SFE对六方金属孪生行为的影响提供了见解。