与{112ˉ2}孪晶结构相关的扩展型孪晶断裂核心

《ACTA MATERIALIA》：Extended core of twinning disconnection associated with {11 2 ˉ 2 } twinning

　　饶奎|刘佩音|王莉|倪松|刘子然|孙浩文|龚明珠|徐顺|陈子斌|范彩荷|宋敏|王健
中国中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083

摘要
{112ˉ2}孪晶在α-钛（α-Ti）中广泛形成，以适应沿c轴的应变。在{112ˉ2}孪晶界观察到短的三层高度带，但这些带的形成机制和原子结构仍存在争议。在本研究中，我们使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜对其原子结构进行了表征。结合拓扑分析和第一性原理密度泛函理论计算，我们得出结论：这些带具有畸变的ω相结构。畸变ω相结构的形成可以看作是三层孪晶解离（b3, 3h{112ˉ2}）的过程，其中主要的局部解离（1/2b3, 3h{112ˉ2}）和次要的局部解离（1/2b3, 3h{112ˉ2}）被畸变的ω相结构所包围。据此，我们提出了通过局部解离来增厚的可能机制。这些发现加深了对六角金属中孪晶行为的基本理解。

引言
{112ˉ2}压缩孪晶在α-Ti中广泛存在[[1], [2], [3], [4], [5]]，孪晶界常常与不同大小的高度台阶相关[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。Gong等人[[6]]使用分子静力学（MS）方法证明了（b3, 3h{112ˉ2}）孪晶解离（TD）的成核能最低，优于（b1, 1h{112ˉ2}）、（b2, 2h{112ˉ2）、（b4, 4h{112ˉ2）和（b5, 5h{112ˉ2）TD。值得注意的是，分子动力学（MD）模拟进一步揭示了（b3, 3h{112ˉ2）TD的核心可以促进（b±1, 1h{112ˉ2}）方向的TD偶极子的形成，这解释了（b4, 4h{112ˉ2）和（b2, 2h{112ˉ2）TD的产生[[6,12]]。总体而言，{112ˉ2}变形孪晶的传播和生长是通过连续的（b3, 3h{112ˉ2）TD的成核和滑移来实现的，这一过程受剪切混合机制[[13], [14], [15]]的调控。因此，{112ˉ2}变形孪晶是一种压缩模式，对于c/a=1.586的六角金属，其孪晶剪切量为0.216。Rapperport和Hartley[[16]]使用干涉法测定了Zr中的{112ˉ2}孪晶剪切量（0.21 ± 0.02），对应于TD（b3, 3h{112ˉ2}）。线性缺陷的迁移率很大程度上取决于其核心结构[[17]]。对于{112ˉ2}孪晶，Li等人[[18]]基于在{112ˉ2}孪晶界（TB）生成的界面位错分析，提出了两种扩展的孪晶位错，其Burgers矢量分别约为1/18<202ˉ3ˉ>和1/18<022ˉ3ˉ>。Gong等人[[6]]和张等人[[11]]使用嵌入原子法（EAM）势在MD模拟中展示了（b3, 3h{112ˉ2）TD的凝聚核心。最近，Zahiri等人[[20]]通过使用Hennig等人[[21]]开发的改进嵌入原子法（MEAM）势进行MD模拟，报告了{112ˉ2}孪晶可能通过α→ω→α马氏体相变来实现。Ostapovets等人[[22]]同样使用MEAM势的MD模拟得到了（b3, 3h{112ˉ2）TD的扩展核心。此外，Li等人[[8]]通过扫描透射电子显微镜（STEM）表征和MD模拟观察到（b1, 1h{112ˉ2）TD的宽内核，提出母原子首先被b1 TD剪切到中间位置，然后通过位错混合达到孪晶位置。然而，Ostapovets等人[[22]]认为宽内核实际上与（b3, 3h{112ˉ2）TD有关，而非Li等人[[8]]提出的（b1, 1h{112ˉ2）TD。因此，关于（b3, 3h{112ˉ2）TD的扩展特性和原子结构仍存在很大不确定性。阐明这种复杂的核结构可能为通过合金化和其他策略控制孪晶厚度和形态提供新机会，从而通过调整Ti及其合金中的孪晶-位错相互作用来提升机械性能。

本研究采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对纯Ti中的{112ˉ2}孪晶界和（b3, 3h{112ˉ2）TD的原子结构进行了表征。在孪晶界观察到的三层原子带与其基体和孪晶的晶体结构不同。这些带与基本的（b3, 3h{112ˉ2）TD相关，被称为其扩展核心。基于使用共格二色性模式（CDP）框架[[15]]的拓扑分析，我们提出了这些带的合理原子模型，并通过密度泛函理论（DFT）计算评估了其稳定性。我们得出结论：（b3, 3h{112ˉ2）TD的扩展核心采用了畸变的ω相结构。这些发现加深了对六角金属中孪晶行为的基本理解。

实验程序和计算方法
使用高纯度（>99.99 wt.%）的树枝状钛通过真空感应熔炼获得钛锭。锭材经过热轧处理后，在700°C下退火1小时，然后进行炉冷。从轧制板材上加工出直径和高度均为5毫米的圆柱形试样。在Instron 3369万能试验机上以约1×10?3 s?1的应变率进行单轴压缩试验。

电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）用于观察孪晶解离的原子结构。

图1展示了压缩纯Ti的EBSD结果。压缩方向垂直于轧制表面，即平行于{0001}织构法线，如图1(a)所示。在α-Ti中，最常见的四种孪晶类型是{101ˉ1}、{101ˉ2}、{112ˉ2}和{112ˉ1}孪晶。根据特征错位角，分别鉴定出以下孪晶类型：{101ˉ1}孪晶的错位角为57° ± 5°，{101ˉ2}孪晶的错位角为87° ± 5°，{112ˉ2}孪晶的错位角为65° ± 5°，以及{112ˉ1}孪晶的...

扩展（b3, 3h{112ˉ2}）TD的拓扑分析
图4(a)展示了通过（b3, 3h{112ˉ2）TD形成{112ˉ2}孪晶时原子的运动。蓝色和红色符号分别代表基体和孪晶。基体和孪晶上第0层到第3层的原子之间的平移向量分别用蓝色和红色箭头表示。因此，（b3, 3h{112ˉ2）TD的Burgers矢量可以表示为红色矢量减去蓝色矢量，如图4(a)所示。此外，位于第1层和第2层的原子...

结论
使用高分辨率STEM（HR-STEM）表征了Ti中的（b3, 3h{112ˉ2）TD结构。结果显示，两个相邻的孪晶界通常由三层原子高的带连接，这些3层带与（b3, 3h{112ˉ2）TD具有相同的ω相结构。从投影STEM图像来看，这些类似ω相的带是由（1/2b3, 3h{112ˉ2}）局部解离引起的剪切所触发的。DFT计算表明，1/2b3...

作者贡献
饶奎：撰写——原始草稿、方法论、研究。
刘佩音：方法论、研究。
王莉：研究。
倪松：研究、监督、撰写——审阅与编辑、资金获取。
刘子然：研究。
孙浩文：方法论、研究。
龚明珠：方法论、研究。
徐顺：研究。
陈子斌：研究。
范彩荷：研究。
宋敏：监督、资金获取。
王健：概念、分析、撰写——审阅与编辑。

CRediT作者贡献声明
饶奎：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析。
刘佩音：软件、研究。
王莉：方法论、研究。
倪松：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、形式分析、概念化。
刘子然：方法论、研究。
孙浩文：软件、研究。
龚明珠：监督、研究。
徐顺：研究、数据整理。
陈子斌：验证。