[论文解读] Deformation twin nucleation and twin variant selection in single crystal magnesium as a function of strain rate

Kavan Hazeli, Vignesh Kannan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2018

Magnesium Alloys: Properties and Applications参考文献 40被引用 8

一句话总结

本研究探讨了单晶镁中应变率依赖的形变孪生行为，发现较高应变率促进多种孪生变体（包括低施密特因子和双伸长孪晶）的形核，并在初级孪晶界面上触发第二代孪晶。孪生面积/体积分数的演化速率在各代之间保持相似，表明在高应变率下发生从增厚到顺序形核的转变。

ABSTRACT

Deformation twinning is an important deformation mechanism in a variety of materials, including metals and ceramics. This deformation mechanism is particularly important in low-symmetry hexagonal close-packed (hcp) metals such as Magnesium (Mg), Zirconium (Zr) and Titanium (Ti). Extension twins in Mg, Zr and Ti can accommodate considerable plastic deformation as they grow. Thus, the rate and the mode of twinning greatly influences the mechanical behavior including strength and ductility. Herein, we study deformation twinning in terms of nucleation, twinning mode and variant selection as a function of strain rate in Mg single crystal (considered as a model material). We show that twin variant selection is sensitive to the loading rate, with more twin variants nucleating at the dynamic strain rates. Low Schmid factor twin variants (one of them being a double extension twin variant) were also found at the dynamic strain rates. Further at high strain rates, the first twins generated do not thicken beyond a critical width. Instead, plasticity proceeds with nucleation of second generation twins from the primary twin boundaries. The rates of area/volume fraction evolution of both generations of twins are found to be similar.

研究动机与目标

• 理解应变率如何影响单晶镁（一种典型hcp金属）中的形变孪生行为。
• 识别在不同应变率下（尤其是动态高应变率）孪生变体选择的机制。
• 研究孪生面积/体积分数的演化过程以及从初级到次级孪生形核的转变。
• 确定施密特因子在变体选择中的作用，以及高应变率下非主导孪晶的出现机制。

提出的方法

• 在受控应变率下对单晶镁进行实验，以观察形变孪生行为。
• 采用电子背散射衍射（EBSD）或类似微观结构分析方法，识别孪生变体及其取向关系。
• 测量孪生面积/体积分数随应变和应变率的演化规律。
• 分析第二代孪晶的形核位置，重点关注初级孪晶边界。
• 计算不同孪生变体的施密特因子，以关联其与观测到的形核概率。
• 比较初级与次级孪晶的生长动力学，评估其形核速率的相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 应变率如何影响单晶镁中形变孪晶的形核？
• RQ2 施密特因子在高应变率下决定哪些孪生变体形核中起什么作用？
• RQ3 在动态加载条件下，第二代孪晶是否优先在初级孪晶边界上形核？
• RQ4 初级与次级孪晶的面积/体积分数演化速率有何异同？
• RQ5 为何在高应变率下初级孪晶无法继续增厚至临界宽度？

主要发现

• 在高应变率下，多种孪生变体（包括低施密特因子和双伸长孪晶）的形核比低应变率下更为容易。
• 在高应变率下，初级孪晶无法继续增厚至临界宽度，表明其形核机制从增厚转变为次级孪晶的形核。
• 第二代孪晶优先在初级孪晶边界形核，表明存在应变局部化机制。
• 初级与次级孪晶的面积/体积分数演化速率相似，表明其形核动力学具有可比性。
• 孪生变体选择具有应变率依赖性，动态加载条件下变体多样性显著增加。
• 在高应变率下，材料的力学响应从初级孪晶增厚转变为次级孪晶的顺序形核，导致塑性变形机制发生改变。