孪晶晶界取向对ERNiCrMo-3合金力学响应和微观结构演变的影响：一项分子动力学研究

《Vacuum》：Effect of twin boundary orientation on the mechanical response and microstructural evolution of ERNiCrMo-3 alloy: A molecular dynamics study

　　

孙志仁|杨森|王志鹏|刘志超|赵书慧|王凯坤|史龙

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京 100083

摘要

孪晶界（TBs）作为一种高度取向的特殊晶界，在控制镍基合金的塑性变形中起着关键作用。本研究通过对ERNiCrMo-3纳米孪晶模型进行了分子动力学模拟，孪晶界的倾斜角度范围从0°到90°，旨在阐明原子尺度上的取向依赖性变形行为。结果表明，随着孪晶界角度的增加，屈服强度呈现出非单调的“软化-硬化”趋势，60°被确定为一个关键转折点。微观结构分析显示，低角度模型（0°、15°）主要由内在堆垛故障（ISFs）和非晶区域主导；中等角度模型（30°、45°）促进孪晶形成和HCP相变；而高角度模型（≥60°）则表现出位错缠结、孪晶界不稳定性和局部非晶化。位错分析表明，0°、15°、75°和90°模型的位错密度最高，主要为Shockley部分位错，同时存在大量的Hirth位错和阶梯状位错。相比之下，30°–60°模型的位错运动更有序，密度较低。Schmid因子分析进一步揭示了强烈的取向依赖性：软模式滑移（平行于孪晶界）增强了延展性，而硬模式滑移（垂直于孪晶界）导致位错堵塞和强化。本研究提供了对孪晶界取向效应的机制理解，为调整镍基合金的塑性和优化微观结构提供了见解。

引言

由于ERNiCrMo-3合金具有优异的耐腐蚀性和高温强度，它已被广泛应用于极端条件下的焊接和制造领域，如石油和天然气设施、化学加工设备以及海洋结构[1]。塑性变形过程（例如锻造、轧制和拉拔）对于ERNiCrMo-3电极和焊丝的成形至关重要；因此，理解其变形行为具有重要的技术意义。

以往对ERNiCrMo-3合金的研究主要集中在宏观热变形行为上，包括机械响应和晶粒演变。例如，孙等人通过热压缩试验开发了本构模型[2]，随后的EBSD分析阐明了动态再结晶机制[3]。这些研究表明，在热变形过程中经常形成高密度的孪晶。作为高角度晶界的一种特殊类型，孪晶界（TBs）在镍基超合金和其他低堆垛故障能金属中普遍存在[[4]]、[5]]、[6]]、[7]]，它们具有双重作用：（i）作为位错运动的障碍并强化材料[[8]]、[9]]、[10]]、[11]]；（ii）作为部分位错滑移的优先位置，从而增强延展性[4,12,13]。先前的研究[[14]]、[15]]、[16]]、[17]]、[18]]还展示了TBs对机械性能的强各向异性影响。例如，卢和游等人[19]在纳米孪晶Cu中识别出三种关键的位错-TB相互作用模式，而张等人[20]和李等人[21]建立了FCC纳米结构中TB取向与塑性的直接相关性。

然而，这些发现大多来自实验研究，尽管具有启发性，但无法直接可视化原子尺度的微观结构演变。分子动力学（MD）模拟提供了一种补充方法来探索这些机制[[22]]、[23]]、[24]]。例如，金等人[25]研究了Ni双晶中的位错-晶界相互作用，而刘等人[26]揭示了Hastelloy X中的温度依赖性变形模式。徐等人[27]和林川等人[28]进一步证明了CTBs在位错转移和低温延展性中的关键作用。尽管取得了这些进展，但大多数MD研究集中在纯金属或高熵合金上，而很少涉及纳米孪晶镍基工程合金的取向依赖性变形。

重要的是，本研究在两个方面不同于以往的MD研究。首先，它系统地研究了孪晶界倾斜角度（0°–90°）对镍基ERNiCrMo-3合金变形机制的影响，这是一个之前未报道的主题。其次，它阐明了孪晶界取向如何影响位错运动、堆垛故障演变和局部非晶化，从而揭示了纳米孪晶合金中取向依赖性强化的原子尺度起源。

在这项工作中，采用了实验TEM观察和分子动力学（MD）模拟来研究ERNiCrMo-3合金的变形机制。TEM分析确认了纳米尺度上相干孪晶的存在，这些孪晶为构建原子模型提供了结构参考。基于这些观察结果，开发了一系列具有不同孪晶界（TB）倾斜角度的纳米孪晶双晶模型，以研究晶体取向对单轴压缩下变形行为的影响。与多晶系统相比，双晶模型具有更高的计算效率和更清晰的机制解释，允许对位错-TB相互作用进行重点分析。这种结合实验-模拟的方法增强了对于取向依赖性塑性的理解，并为优化ERNiCrMo-3及相关镍基合金的加工和机械性能提供了指导。

章节摘录

实验

使用截面尺寸为150×150毫米的锻造ERNiCrMo-3坯料作为基材。从坯料中加工出尺寸约为10×10×10毫米的小样品，并使用线切割电火花加工（EDM）从这些样品中切割出厚度约为400微米的薄片。然后使用连续的SiC砂纸将薄片机械研磨至约50微米厚，再进行双喷流离子铣削，直至达到电子透明。制备的3毫米

ERNiCrMo-3中的孪晶

ERNiCrMo-3合金的明场TEM图像（图2(a)）显示了宽度约为100纳米的平行纳米孪晶层，这些孪晶层贯穿整个晶粒。孪晶界是直的、原子级清晰的，并通过选区电子衍射确认了Σ3取向关系，这与FCC合金中的相干孪晶界一致。相应的暗场图像（图2(b)）显示孪晶与基体的鲜明对比，进一步突出了它们的连续性

取向依赖性机制

根据上述观察结果，微观结构和位错特征都表现出明显的取向依赖性差异。为了提供在不同孪晶界倾斜角度下的变形特性的综合视图，第3.3节微观结构演变和第3.4节位错分布演变的主要发现总结在表1中。

如表1所示，变形行为随着孪晶界倾斜角度的增加而系统性地变化。

结论

本研究结合了TEM观察和分子动力学（MD）模拟，使用纳米孪晶双晶模型研究了ERNiCrMo-3合金的取向依赖性变形。主要结论如下：

• (1)
  TEM分析确认了ERNiCrMo-3中存在纳米尺度的相干{111}孪晶，验证了MD模型中采用的结构配置。
• (2)
  屈服强度随着孪晶界倾斜角度的增加呈现出典型的“V”形趋势。它在0°到60°之间减小，然后

伦理批准

不适用。

CRediT作者贡献声明

孙志仁：数据整理、正式分析、研究、方法论、软件、验证、撰写——初稿。杨森：概念化、资金获取、验证。王志鹏：正式分析、可视化。刘志超：可视化、撰写——审阅与编辑。赵书慧：研究、可视化。王凯坤：概念化、资金获取、项目管理、监督、撰写——审阅与编辑。史龙：资金获取、项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

中国国家重点研发计划（2024YFE03120002）、中国云南省王凯坤专家工作站（编号202405AF140034）以及高性能箔带轧制优化和评估的大规模企业合作项目的支持。