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本文研究了小尺度单晶体变形行为，尤其关注变形孪晶在小尺度面心立方（FCC）结构中的演化机制。由于微电子领域中微纳米器件的广泛应用，微纳米尺度材料的变形行为正受到越来越多的关注。金属材料在小尺度下的力学行为表现出显著的尺寸效应，即随着试样尺寸减小，其流变应力会显著增加。常见的理论如“位错饥饿”和“位错源截断”提出，小尺度材料中位错源数量有限，因此需要更高的应力来激活新的位错源，以维持塑性变形。除了位错滑移，变形孪晶在金属系统中也是一种重要的变形机制。传统上，对大尺寸FCC材料的变形孪晶机制主要分为三类：极化机制、偏离过程模型以及基于形成外层堆垛层错的模型。然而，这些机制通常需要特定的位错源或位错堆积等复杂的位错配置，在小尺度试样中难以实现。因此，大尺寸FCC材料中的孪晶机制在小尺度晶体中可能会受到抑制。针对这一问题，香港大学Huang等利用低堆垛层错能（SFE）的孪晶诱发塑性（TWIP）钢，对小尺度FCC单晶中的孪晶演化进行了系统研究。通过聚焦离子束（FIB）技术制备了微米级TWIP钢单晶微柱，并进行了一系列不同应变水平的压缩实验。利用透射电子显微镜（TEM）对孪晶进行了详细的定量表征，揭示了变形孪晶对塑性应变的主要贡献。此外，研究发现，孪晶的形成主要通过自由表面和微柱内部的全位错发射部分位错来实现。该发现与之前对金纳米线、纳米须和薄膜的实验和分子动力学模拟结果相一致。在此基础上，本文提出了一个物理模型，通过综合考虑位错源引入方式和部分位错发射的激活准则来预测孪晶的演化。该模型能够量化预测孪晶演化，包括总孪晶形成量、孪晶形态以及孪晶爆发增长现象。研究结果表明，该模型不仅能够很好地再现实验结果，还准确地反映了孪晶形态和孪晶爆发长大，为进一步研究和应用小尺度孪晶变形机制提供了理论依据。![]()
图1 (a)受压条件下微柱的应力-应变曲线；(b) 微柱3压缩后的SEM图像。
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图2 微柱压缩后的TEM亮场图像：(a)柱3内部有不同厚度的暗对比度条带；(b)选定区域衍射图表明暗带是变形孪晶；(c)在柱子3表面附近的区域内发现堆积断层束；在(d) 微柱2和(f) 微柱1内部发现了与微柱3具有相同孪晶体系的变形孪晶，其衍射图样分别如图(e)和(g)所示。
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图3 (a)内部和表面位错源的示意图；(b)由高斯分布函数和基于该分布函数的随机选择过程确定的表面源的大小分布。
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图4 (a) 微柱2试验及5个独立模拟应力-应变曲线；插图为柱2压缩后的TEM图像。(b) - (d)不同应变水平下模拟应力-应变关系及变形孪晶的演变。
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图5 实验与模拟结果中应变爆发大小与分切剪应力的关系。
相关成果以“Deformation twinning in small-sized
face-centred cubic single crystals: Experiments and modelling”为题发表在Journal of the
Mechanics and Physics of Solids (Volume 85, December 2015, Pages 128-142), 第一作者为Z.Y. Liang，通讯作者为M.X. Huang。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2015.09.004
