強(qiáng)度和塑性對于工程金屬材料來說是一枚硬幣的兩面:強(qiáng)度的提高通常會導(dǎo)致塑性的降低。多年來強(qiáng)塑性這種相互掣肘的關(guān)系已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。事實(shí)上，這種限制主要來源于晶體材料中主導(dǎo)的位錯機(jī)制:為了獲得高強(qiáng)度，需要阻礙位錯的產(chǎn)生和運(yùn)動，而位錯運(yùn)動則有助于塑性。在這種情況下，同步提高強(qiáng)度和塑性似乎是一個不可能的任務(wù)。然而，如果我們引入新的強(qiáng)化和變形機(jī)制，就有可能突破金屬材料強(qiáng)度和塑性之間的關(guān)系。
變形孿晶作為一種不同于位錯滑移的基本形變機(jī)制，是一種非常具有前景的選擇。孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼就是一個很好的例子。根據(jù)先前的研究，在塑性變形過程中，通過在單相奧氏體鋼中引入變形孿晶可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性的出色結(jié)合。因此在本文中，筆者給大家充分解讀幾篇金屬頂刊的論文。讓大家能夠更好的理解TWIP效應(yīng)及其在材料設(shè)計(jì)中的妙用。
1）R. Liu, Z. J. Zhang, L. L. Li, X. H. An & Z. F. Zhang. Microscopic mechanisms contributing to the synchronous improvement of strength and plasticity (SISP) for TWIP copper alloys. SCIENTIFIC REPORTS. 5 (2015) 9550.
該文選擇純Cu，Cu-8at.%Al 和 Cu-16at.%Al三種合金，以用來研究變形孿晶對材料強(qiáng)度和塑性的影響。如圖1所示為三種合金在拉伸變形后的TEM顯微組織。可以看出，純Cu變形后形成位錯胞和由位錯纏結(jié)形成的條帶，Cu-8at.%Al則為位錯和變形孿晶的混合，Cu-16at.%Al則形成均勻?qū)\晶片層與層錯(SFs)。Al元素的加入降低了Cu合金的層錯能，這會導(dǎo)致材料的變形從位錯滑移向變形孿晶過渡。對加工硬化的曲線分析證明在初始變形階段，純Cu中位錯相互纏結(jié)，導(dǎo)致加工硬化速率明顯上升。在Cu-8at.%Al，位錯次第序分布在平行滑移面上，導(dǎo)致與純銅相比，更低的應(yīng)變硬化速率。對于Cu-16at.%Al合金，位錯與SFs之間的弱相互作用(圖1)導(dǎo)致初始應(yīng)變硬化速率進(jìn)一步降低。但在隨后的變形過程中，由于Cu的位錯的高回復(fù)率，其迅速形成位錯胞等相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致應(yīng)變硬化速率急劇下降。相比之下，Cu-8at.%Al和Cu-16at.%Al合金的硬化速率開始增加，并很快超過純Cu的直線下降曲線。在塑性變形后期，Cu-16at.%Al中形成了更為密集的孿晶片層和2 – 3倍于Cu-8at.%Al合金的變形位錯，表現(xiàn)出更顯著、更持久的應(yīng)變硬化。
接下來該文研究了隨著應(yīng)變的增加，變形孿晶的演變規(guī)律和基本特征，結(jié)果顯示，隨著應(yīng)變量增大，孿晶逐步增多，超過0.4時，90%以上的晶粒內(nèi)部分布著變形孿晶。與位錯滑移相比，孿晶的變形方式和結(jié)構(gòu)特征都更加平面化，使得形成的納米片層尺寸比普通位錯構(gòu)型小得多。變形孿晶通常從幾個晶粒開始，然后擴(kuò)散到其他晶粒，具有高度的取向相關(guān)性。變形孿晶傾向于在<111>附近的晶粒中成核。通常優(yōu)先成核在“更硬”的方向滑動，并在產(chǎn)生“軟”晶粒內(nèi)部形成孿晶片。文章最后總結(jié)了變形孿晶誘發(fā)強(qiáng)塑性同時提高放入的微觀機(jī)理。
圖1 拉伸后用透射電鏡觀察純Cu和Cu- Al合金的典型微觀組織[1]
2）Chengshuai Lei, Xiangtao Deng, Xiaolin Li, Zhaodong Wang. Simultaneous enhancement of strength and ductility through coordination deformation and multi-stage transformation induced plasticity (TRIP) effect in heterogeneous metastable austenitic steel. Scripta Materialia 162 (2019) 421–425
納米/超細(xì)晶材料在增強(qiáng)合金方面非常有優(yōu)勢，但是其也導(dǎo)致塑性的下降，從而讓材料的塑性應(yīng)用受到限制。近些年來，在材料中引入不均勻結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)增塑已經(jīng)取得了突破。典型的例子有在Ti中引入在超細(xì)晶基體中嵌入層狀結(jié)構(gòu)，納米梯度孿晶結(jié)構(gòu)，在fcc材料中形成孿晶，變形孿晶，第二相強(qiáng)化以及優(yōu)化晶界等。這些不均勻的結(jié)構(gòu)在在變形過程中的軟粗晶粒和硬超細(xì)晶粒之間產(chǎn)生背應(yīng)力硬化，同時背應(yīng)力硬化和位錯硬化的綜合作用也獲得了良好的塑性。在本文中，通過冷軋和回火處理Fe-17Cr-6Ni合金，在合金內(nèi)部形成細(xì)小的片層基體以及鑲嵌在基體內(nèi)部的微晶（尺寸達(dá)到微米級）。拉伸力學(xué)性能測試表明，與納米鋼和粗晶鋼相比，本文合成的鋼具有很高的強(qiáng)度和塑性，其分別達(dá)到了790MPa和40.5%。這種異常高強(qiáng)度通常歸因于變形過程中非均勻結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力梯度和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，即背應(yīng)力硬化。眾所周知，非均勻結(jié)構(gòu)的變形會在不同晶粒的界面周圍產(chǎn)生高密度的幾何必需位錯(GND)。GND在界面的堆積既能作為位錯滑移的障礙，又能產(chǎn)生遠(yuǎn)距離應(yīng)力場，導(dǎo)致高背應(yīng)力硬化。微晶粒開始發(fā)生塑性變形，但納米/超細(xì)晶粒仍保持彈性。微晶粒與納米/超細(xì)晶粒變形過程的不匹配導(dǎo)致界面周圍的GND堆積。GND的堆積會產(chǎn)生長距離應(yīng)力場，并產(chǎn)生與位錯運(yùn)動方向相反的高背應(yīng)力，導(dǎo)致背應(yīng)力硬化并提高屈服強(qiáng)度。優(yōu)異的拉伸塑性往往源于其優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力。奧氏體晶粒尺寸的不均勻性導(dǎo)致了奧氏體穩(wěn)定性的巨大差異，導(dǎo)致了多階段的TRIP效應(yīng)。多級TRIP效應(yīng)能顯著增強(qiáng)不同變形階段的應(yīng)變硬化能力，最終維持大應(yīng)變塑性變形。
圖2 (a)非均勻組織鋼在真應(yīng)變?yōu)?.05時的變形組織；（b）背應(yīng)力硬化機(jī)理示意圖:晶界處GND的累積，黑色符號代表GNDs，紅色符號代表統(tǒng)計(jì)存儲位錯；（c）非均勻組織鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d）不同應(yīng)變下背應(yīng)力的演化[2].
3）Lei Ren , Wenlong Xiao, Chaoli Ma, Ruixiao Zheng, Lian Zhou. Development of a high strength and high ductility near β-Ti alloy with twinning induced plasticity effect. Scripta Materialia 156 (2018) 47–50.
本文選擇Ti-64221為研究目標(biāo)，在β相區(qū)固溶30min后淬火，在合金內(nèi)部形成馬氏體組織，同時伴隨一定的ω相形成。拉伸測試表明，該合金顯示了非常優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，其中強(qiáng)度高達(dá)820MPa，塑性超過52%。如此優(yōu)異塑性的背后主要得益于變形過程中形成的孿晶和孿晶交割，如圖3所示?？梢钥闯?，在變形過程中主要形成{332}?113?和{112}?111?孿晶。{332} < 113 >和{112}< 111 >孿晶以及塑性變形過程中的應(yīng)力誘導(dǎo)相變有利于合金強(qiáng)度和塑性的提高。同理，塑性的提高主要?dú)w功于變形孿晶誘導(dǎo)的加工硬化以及應(yīng)力誘發(fā)相變效應(yīng)，而強(qiáng)度的提高則主要由動態(tài)Hall-Patch效應(yīng)主導(dǎo)。
圖3 (a)(b)(c) 4%應(yīng)變和(d)(e)(f) 10%應(yīng)變后的合金顯微圖。一)(d)光學(xué)顯微圖;(b)(e) EBSD反極圖;(c)(f)EBSD的晶界圖。黑線表示{332} <113> ?β孿晶。藍(lán)線指示{332}?113?孿生晶界[3].
4）Xiaohua Min, Xuejiao Chen, Satoshi Emura and Koichi Tsuchiya. Mechanism of twinning-induced plasticity in β-type Ti–15Mo alloy. Scripta Materialia 69 (2013) 393–396.
β-鈦合金因其高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和其他工業(yè)領(lǐng)域。β-鈦合金的一個優(yōu)點(diǎn)是，它們可以通過控制其ω相和α相來強(qiáng)化。從工程角度看，β鈦合金成形性較差一直是限制其應(yīng)用的一個問題。復(fù)雜的加載條件下強(qiáng)度和延性的良好結(jié)合是拓寬其應(yīng)用范圍的理想選擇，如在相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)和孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼。 該文對Ti-15Mo合金的拉伸研究表明，強(qiáng)度可達(dá)765MPa的同時還具有40%的塑性。變性后的組織表征顯示出了非常密集的{332}<113>孿晶。根據(jù)變形后的孿晶分布以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表明隨著變形量增加，孿晶厚度的逐漸減小，該文推算出孿晶的強(qiáng)化作用及其表達(dá)式為。其中σ0是單晶的屈服強(qiáng)度，K1和K2是常數(shù)，Λ為位錯滑移的平均自由程。同樣，變形孿晶引起了超級的加工硬化，使得合金塑性提高。
圖4 隨著變形量增加，合金微觀結(jié)構(gòu)的IPF圖(a) 0.012， (b) 0.057， (c) 0.115，(d)0.170?？梢钥吹阶冃瘟吭酱?，孿晶越密集[4]。
5）M. B?nisch,Y. Wu & H. Sehitoglu. Twinning-induced strain hardening in dual-phase FeCoCrNiAl0.5 at room and cryogenic temperature. SCIENTIFIC REPORTS. 8 (2018) 10663
近二十年來，科學(xué)家和工程師對高熵合金(HEAs)的興趣不斷高漲，使其成為目前研究最廣泛的合金類之一。這很大程度上源于它們卓越的力學(xué)特性，尤其是在中等至極低溫度下的高延展性和卓越的韌性。本文首先對面心立方(fcc)取向的FeCoCrNiAl0.5雙相高熵合金(HEA)在77K和293K單軸壓縮條件下進(jìn)行了塑性應(yīng)變，研究了其變形機(jī)理。研究表明：未變形組織由體心立方(bcc)/B2枝晶間網(wǎng)絡(luò)和嵌入fcc< 001 >取向枝晶中的析出相組成。與其他兩相高熵合金不同的是，在兩種變形溫度下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均在總軸向應(yīng)變23%以上急劇上升。這導(dǎo)致該合金的加工硬化速率非常高，達(dá)到6GPa。通過TEM圖片分析fcc和bcc/B2之間的應(yīng)變分配，表明fcc構(gòu)件承載了較大的塑性應(yīng)變。此外，電子背散射衍射和透射電子顯微鏡證據(jù)表明，在77K和293K下存在fcc變形孿晶，而位錯滑移僅在bcc/B2中存在。這些研究結(jié)果可以指導(dǎo)未來設(shè)計(jì)具有優(yōu)越增韌特性的新型合金。
圖5 在77K和293K下，fcc< 001 >取向的FeCoCrNiAl0.5合金在單軸壓縮應(yīng)變?yōu)閪35%的EBSD和TEM結(jié)果。(a) 77K變形時fcc相的EBSD取向圖及其反極圖。箭頭表示孿晶，黑色表示未被標(biāo)定的區(qū)域；（b）fcc枝晶中的滑移-孿晶相互作用和(c) bcc/ B2枝晶間的滑移相互作用；(d) 293K變形后fcc變形孿晶的暗場圖像。插圖顯示了選區(qū)電子衍射斑點(diǎn) (由衍射圖案中的圓圈表示)和孿生邊界(黃色實(shí)線)的高分辨率晶格條紋圖像[5]。
綜上所述：可以看出，變形孿晶不同于位錯滑移，它的出現(xiàn)既可以增強(qiáng)合金，又可以塑化合金，這對于工程材料的應(yīng)用非常重要。雖然筆者在上述文章中簡單的給大家介紹了到變形孿晶的增強(qiáng)增塑機(jī)制，但是知識點(diǎn)相對瑣碎，且每篇文章介紹的略有不足，在這里筆者進(jìn)步歸納總結(jié)。
1. 變形孿晶的增強(qiáng)機(jī)制
（1）首先也是最重要的是其誘導(dǎo)的動態(tài)Hall-Patch效應(yīng)，即動態(tài)產(chǎn)生的孿晶對位錯的阻礙效應(yīng)。在塑性變形過程中，逐漸擴(kuò)展的變形孿晶將晶粒分為孿晶束和孿晶束之間的基體兩部分。由于大多數(shù)位錯存在于基體中，孿晶片可以作為有效的障礙來阻礙位錯的運(yùn)動，特別是對于滑移體系與孿晶片不平行的位錯。隨著塑性應(yīng)變的增加，孿晶束間基體尺寸隨著孿晶擴(kuò)展范圍的增大而不斷減小，使得這種動態(tài)Hall-Petch效應(yīng)更加顯著。
（2）納米孿晶的強(qiáng)化作用
值得注意的是，由于孿晶片的納米級厚度，孿晶束中的情況與孿晶束之間的基質(zhì)條件不同。這些納米孿晶結(jié)構(gòu)的特殊變形方式有助于提高孿晶束的強(qiáng)度，使納米片層成為晶粒中的一種“硬相”。
（3）缺陷儲存能力的增加
對于TWIP合金中的位錯，除了由于SFE的降低而增加了其抗交叉滑移的能力外，孿晶束還通過將位錯分離成較小的區(qū)域來阻礙位錯的恢復(fù)。此外，最近的研究表明，TBs上的位錯比完美晶體中的位錯更穩(wěn)定。因此，孿晶片附近的位錯更傾向于在TBs上聚集。這種“吸收”效應(yīng)顯著提高了孿晶片的位錯貯存能力。此外，由于變形孿晶的平面變形模式和穩(wěn)定的納米尺度結(jié)構(gòu)，比位錯更難恢復(fù)(脫孿)或達(dá)到飽和狀態(tài)。與位錯的波滑移相比較，平面位錯和形變孿晶的連續(xù)傳播使TWIP合金的缺陷密度更高，強(qiáng)化效果更顯著。
2. 變形孿晶的增塑作用
（1）優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力
增強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力提高了合金的變形均勻性，延緩了縮頸的發(fā)生，從而提高了合金的均勻延伸率。值得注意的是其優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力也是提高強(qiáng)度和擴(kuò)大塑性的重要因素。
（2）層狀結(jié)構(gòu)中的滑動“隧道”
盡管變形孿晶的存在阻礙了位錯不平行于孿晶片層的滑移運(yùn)動，但一些相對而言“軟取向”仍然存在。在相鄰孿晶束之間的空間中，位錯可以在平行于TBs的平面上滑移，而不會產(chǎn)生額外的阻力，類似于“運(yùn)動隧道”。這使得合金能夠不斷的進(jìn)行滑移。
（3）額外的變形機(jī)制選擇
形變孿晶不僅是層狀缺陷的產(chǎn)生者，也是塑性變形的基本機(jī)制之一。因此，孿生行為本身對總塑性應(yīng)變有影響。與位錯滑動(通常在方向上變形)相比，變形孿晶總是相同的{111}晶面結(jié)合不同<112>方向。在FCC結(jié)構(gòu)中，相對“硬”取向的晶?？梢赃x擇孿晶變形. 滑移和孿晶的結(jié)合為晶粒提供了更多的協(xié)調(diào)變形選擇，有利于變形均質(zhì)化.