《JMST》封面文章：决定孪晶晶界交互作用的几何因素！

　　利用分子动力学研究了金属钽在冲击压缩下产生的{112}变形孪晶与不同错配角度晶界的相互作用，根据不同的作用结果分为三种典型的现象：（1）孪晶穿越晶界（Twin Transfer, TT）；（2）孪晶被晶界阻挡（Twin Blockage, TB）；（3）孪晶诱发临近晶粒中的位错（Twin-Induced Dislocation, TID）。为了阐明这三种现象，这篇文章着重分析了晶界的错配角度（Misorientation Angle, MA）、几何相容因子（Geometrical Compatibility, m）、施密特因子（Schmid Factor, SF）等对以上三种现象的影响规律。

　　金属体系中孪晶与晶界的相互作用行为对于材料的力学性能有重要影响。如果孪晶穿越晶界，则有利于塑性变形；反之，如果孪晶被晶界阻挡，则可能因应力集中而导致裂纹萌生。孪晶与晶界的交互作用主要受到近邻晶粒取向差、滑移系夹角等几何因素以及晶界结构、形变机制等微观因素影响。由于金属材料复杂的显微组织及其所造成复杂应力状态，实验上定量研究孪晶与晶界的交互作用极其困难。本文采用分子动力学模拟研究同轴多晶钽在压缩下的{112}孪晶与晶界的交互作用，获得不一样的微观过程及其临界条件，定量阐明决定孪晶/晶界交互作用的几何因素，相关结果还可以为宏观和介观模型提供理论参考。

　　(1）基于原子模型标定了每个孪晶系的施密特因子、两个晶粒之间的几何相容因子等信息，定量解释孪晶与晶界作用的不同现象。

　　(2） 基于模拟结果解释了实验观察到的孪晶穿越晶界或被晶界阻挡后的直尺状或透镜状形貌的成因。

　　(3）孪晶与孪晶之间的相互作用可阻断孪晶局部增厚，产生的应力集中还可以导致退孪晶。

　　通过对数据的整理发现TT仅发生在当MA 29°时，即孪晶穿透现象通常发生在晶粒取向差较小的情况，当孪晶取向差较小时，晶粒之间的几何相容因子m均较大，通过整理孪晶系的施密特因子发现，施密特因子明显影响着被诱发孪晶的孪晶变体选择。

　　当MA 29°时，不一定均发生TT现象，TT现象发生的本质为诱发新孪晶从而释放体系内的应力，图2中我们大家可以看到即使MA = 20°，孪晶也阻断于晶界处，但此时孪晶没有立即发生侧向增厚，而在体系中观察到晶界处界面位错的移动，此时也是释放体系内部应力的一种方式。

　　当MA 29°时，在图3中只能观察到孪晶阻断于晶界处的现象，当孪晶受到阻断后，体系内部应力持续升高，此时孪晶进行增厚来释放应力。通过计算发现当MA较大时，两晶粒之间的几何相容因子很小，因此很难诱发出新的孪晶，从中也能够准确的看出MA的数值对于是否发生TT和TB至关重要。

　　直尺状孪晶和透镜状孪晶分别在TT和TB情况下被观察到，并且这两种形貌的孪晶与我们之前的实验结果类似。图(a)中的孪晶原子层数自晶界处由24层减少至20层，而图(b)中的透镜状孪晶明显呈现中间较厚而两边较薄的情况，在后续的研究中发现直尺状孪晶形貌主要由晶界处发射的孪晶位错朝着一个方向运动形成，而对于透镜状孪晶其增厚方式为从孪晶中心位置形核符号相反的1/6111位错朝着相反的方向运动。

　　1） 孪晶穿越晶界的发生需要较小的MA( 30°)以及较大的m ( 0.760) 和较大的 SF ( 0.300), 并且需要足够的局部残余应力。MA决定了晶界的结构和应力的分布，而m和SF对于孪晶变体的选择较为重要。

　　2）孪晶穿越晶界或被阻挡后的形貌分别为直尺状和透镜状，导致这两种形貌的机制分别为晶界处发射的孪晶位错、孪晶内部形核的1/6111偏位错对。

　　3） {112}孪晶之间的相互作用会导致应力集中，并阻断孪晶的局部生长并可能使孪晶分割。孪晶的横向增厚释放了局部应力，并可导致退孪晶现象。

　　王皞，博士/特聘教授/PI，上海理工大学，材料与化学学院/增材制造研究院

　　长期从事金属结构材料研究，建立了面向钛基合金等先进结构材料的集成计算和数据平台和增材制造全流程仿真平台，开展合金成分、微观机理、显微组织、成型工艺等多尺度模拟和实验研究，为合金设计、性能预测、工艺优化和产品评价提供理论和方法支撑。

　　担任中国材料学会计算材料学分会委员、上海市增材制造标准化委员会委员、中广核苏州热工院特聘高级技术顾问、Scientific Reports编委；主持国家自然科学基金青年和面上项目、国防重点实验室基金、云南省重大科学技术专项子课题等纵向课题以及企业横向课题等20余项，担任国家重点研发计划项目秘书、973项目等研究骨干；在Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文100余篇，TMS、MS&T、Thermec、中国材料大会、全国钛会等学术会议邀请报告20余次，撰写专著章节2章，获软件著作权登记4项，授权专利3项；入选辽宁省百千万人才工程千人层次、中科院青促会、沈阳市高层次人才拔尖人才，获中科院沈阳分院优秀青年科学技术人才奖、中科院超算最佳应用奖、中科院超算优秀团队奖、第九届上海市大学生新材料大赛二等奖等。

　　带领团队在航空航天、能源医疗等领域开展应用研发，完成CR929钛合金机翼连接件、航发高温合金燃油喷嘴、核用不锈钢堆芯过滤组件及CR929铝合金3D打印规范、镁合金熔丝制造等3D打印研发技术和性能评价等企业横向项目。

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