孿晶是金屬材料塑性變形的重要載體，在金屬材料的力學性能調(diào)控中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。體心立方金屬由于其優(yōu)異的力學性能和良好的高溫性能在工程中有著廣泛應(yīng)用。塑性變形過程中，體心立方金屬的變形孿晶通常是由相鄰{112}孿晶面上依次發(fā)生孿晶位錯的滑移導致。根據(jù)晶體學對稱性，體心立方金屬中的孿晶既可通過{112}面上位錯沿1/6[111]發(fā)生逐層剪切形成（孿晶，圖1B），又可通過1/3[1?1?1?]位錯的逐層滑移發(fā)生（反孿晶，圖1A）。然而，大量實驗與理論預測表明，1/3[1?1?1?]位錯在{112}孿晶面上滑移時由于其滑移路徑受近鄰{112}面上原子的影響，其滑移阻力顯著增加，遠高于其他位錯結(jié)構(gòu)（約為1/6[111]位錯滑移阻力的兩倍），使得體心立方金屬的反孿晶理論上不可能發(fā)生。大量實驗研究也表明，體心立方金屬沿反孿生方向（如<110>拉伸）加載時僅僅發(fā)生位錯滑移主導的塑性變形。這一現(xiàn)象被稱為體心立方金屬的孿晶-反孿晶不對稱性。受該因素影響，體心立方金屬呈現(xiàn)出若干反常的變形行為，如塑性變形的強烈取向依賴性。
近日，浙江大學材料科學與工程學院電鏡中心的張澤院士、王江偉研究員團隊與佐治亞理工學院的朱廷教授團隊通力合作，通過先進的原位透射電鏡納米力學測試和理論模擬，首次在實驗上觀察到體心立方金屬中的反孿晶現(xiàn)象，并從理論上闡釋了反孿晶行為的發(fā)生機制。這一發(fā)現(xiàn)填補了學術(shù)界對反孿晶行為的認知空白，打破了學術(shù)界對體心立方金屬塑性變形行為的固有認知，發(fā)展了經(jīng)典的位錯理論。研究成果以“Anti-twinning in Nanoscale Tungsten”發(fā)表在《Science Advances》，論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaay2792
在前期工作中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了體心立方金屬納米線的塑性變形行為受取向、加載方式、孿晶界結(jié)構(gòu)的顯著影響，誘發(fā)位錯、孿晶之間的動態(tài)競爭。如<112>的鎢納米線在軸向加載的過程中發(fā)生位錯為主的塑性變形，而當加載方式變?yōu)閺澢螅苄宰冃畏绞絼t轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螌\晶(Materials Research Letters 7, 210-216 (2019)); 與美國匹茲堡大學合作發(fā)現(xiàn)，包含大量臺階的傾斜孿晶界是不穩(wěn)定的，可自發(fā)誘發(fā)退孿晶（Nature Communications 11, 2497 (2020)）. 上述工作充分表明，體心立方金屬納米線在高應(yīng)力下的塑性變形涉及到不同變形機制的動態(tài)競爭，為反孿晶的發(fā)生提供了潛在可能。
本工作中，研究團隊利用原位納米力學測試技術(shù)對比分析了~20 nm的鎢納米線的塑性變形行為：沿[1?10]方向壓縮時（孿晶方向），變形孿晶發(fā)生，其首先由晶界處開始形核，并迅速貫穿整根納米線（圖1.C），與理論預測相符；沿[11?0]方向拉伸時（反孿晶方向），普遍認為的位錯滑移并未發(fā)生，相反，1/3(1?12?)[11?1?]反孿晶位錯則被大量激活，其逐層滑移形成反孿晶（圖1.D-F）。這種反孿晶行為在多種體心立方金屬納米線沿不同反孿晶方向進行加載時均可發(fā)生，充分表明反孿晶變形在微納結(jié)構(gòu)體心立方金屬中的普遍性。然而，反孿晶形成后難以持續(xù)長大，且其在生長過程中會與其他位錯發(fā)生激烈競爭，誘發(fā)退孿晶與剪切局部化（圖2）。上述結(jié)果反映出反孿晶變形過程中存在著很高的晶格阻力和能量勢壘。
圖1. （A-B）[1?10]軸向加載下的W納米線中孿晶(壓縮)與反孿晶(拉伸)的剪切變形。(C)[1?10]壓縮下，W納米線(直徑18nm)中1/6[1?11] (112)孿生位錯滑移導致的形變孿晶。(D-F) [1?10]拉伸下，W納米線(直徑約16nm)剪切形變誘導形成反孿晶。（C-G）中標尺：5納米。
圖2. W雙晶納米線在[1?10]拉伸中反孿晶的動態(tài)演化行為，包括晶界形核、長大、退孿晶以及位錯滑移誘發(fā)的剪切局部化。(A-E)的標尺為5納米；(C)中插圖的標尺為1 nm。
為探究反孿晶發(fā)生的原因，研究團隊針對性的設(shè)計了尺寸更大的W納米線并沿相同的[11?0]方向?qū)ζ溥M行拉伸加載。通常情況下，伴隨金屬納米線尺寸的增加，位錯等缺陷的形核應(yīng)力顯著降低，從而影響變形孿晶的發(fā)生。類似的，本工作發(fā)現(xiàn)體心立方金屬的反孿晶行為呈現(xiàn)出強烈的尺寸依賴性。尺寸較大（~45 nm）的鎢納米線沿反孿晶方向進行加載時，由于較低的應(yīng)力水平，反孿生滑移不足以被激活，而常規(guī)的位錯滑移則不斷形核，成為塑性變形的主要載體（圖3）。反孿晶滑移的強烈尺寸依賴性進一步表明，由于較高的晶格阻力，反孿晶變形過程中會發(fā)生反孿晶與位錯的激烈競爭。
圖3.直徑~45 nm的W納米線在[ 1?10]拉伸中發(fā)生位錯主導的塑性變形。(A-C)試樣初始結(jié)構(gòu)與取向。(D-K) 加載過程中1/2<111>{110}位錯的動態(tài)演化，包括形核、擴展、湮滅等行為。圖(A)和圖(D-K)的標尺為20nm；圖(C)的標尺為5nm。
為驗證上述實驗結(jié)果，研究人員利用分子動力學模擬和第一原理計算系統(tǒng)分析了鎢納米線發(fā)生反孿晶變形的原子尺度動力學機制，深入討論了反孿晶形核、長大的動力學行為（圖4），并從能量角度進一步闡釋了反孿晶發(fā)生過程中{112}面上反孿晶位錯、孿晶位錯和{110}面位錯滑移的競爭機制（圖5），為反孿晶生長過程中發(fā)生退孿晶及位錯誘導的局域剪切行為提供了合理的解釋。
圖4.[1?10]拉伸下W納米線反孿晶變形的分子動力學模擬。 (A)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(B-G)反孿晶在拉伸過程中的原子尺度演化行為。（H）1/3[11?1?] (1?12)反孿晶位錯的局部原子結(jié)構(gòu)
圖5. BCC金屬W發(fā)生孿晶剪切和反孿晶剪切的能壘。
本工作表明，超高應(yīng)力狀態(tài)下反孿生與位錯、孿生等塑性變形機制一樣可被有效激活，從而作為體心立方金屬納米線塑性的重要來源。上述發(fā)現(xiàn)對利用非常規(guī)變形改善納米材料/器件的力學行為提供了嶄新的思路，并對極端環(huán)境納米器件的開發(fā)具有重要意義。
該工作得到了國家自然科學基金委和美國NSF的資助。浙江大學航空航天學院王宏濤教授、上海大學王鵬博士、廣東工業(yè)大學溫敏儒博士和匹茲堡大學毛星原教授參與了本工作。
