一、背景与意义

镁具有密度低、比强度高、铸造性能好和阻尼能力优异等优势，在交通运输、航空航天、生物医疗和便携式电子设备等领域中广泛应用。然而，密排六方(hcp)晶体结构产生的独立滑移系数量有限，镁在室温下延展性和成形性较差。变形孪生作为一种重要的塑性变形机制，在镁及镁合金的塑性变形中起着至关重要作用。在变形过程中，孪晶会和其它晶格缺陷不断发生交互作用从而改变镁中微观结构，影响材料的性能。

最近，澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授课题组乐园博士等人对近年镁合金中变形孪晶与晶格缺陷（如溶质原子、位错和孪晶）之间的交互作用进行了系统综述。分析了孪晶与置换原子（如钇、锌、银）以及间隙原子（如氢和氧）之间的相互作用规律。并进一步完善了镁中常见孪晶，包括{10-12}拉伸及{10-11}压缩孪晶，与不同位错的反应机制。详细讨论了同种类型孪晶不同变体之间或不同种类型孪晶之间的相互作用。最后，综述指出了有关镁合金中孪晶和晶格缺陷相互作用研究领域中还存在的问题和挑战，并为该领域的未来工作提出了具体建议。

二、图文导读

首先，对于孪晶和溶质原子的反应，基于弹性应变能最小化考虑，半径大于镁和小于镁原子的溶质原子将分别偏析于共格孪晶界的拉伸和压缩位置。然而，若镁原子和溶质原子之间形成强化学键，以上规则将被打破。例如，实验中发现Bi、Pb、Tl和In等大于镁原子半径的的溶质原子可偏析于{10-11}孪晶共格孪晶界压缩位置上。这表明溶质原子在孪晶界上的偏析行为需考虑化学键和弹性应变能的综合影响。溶质原子和孪晶的交互作用可通过阻碍孪晶界的运动强化镁合金，而且可影响镁合金的断裂强度和阻尼性能。

对于{10-12}孪晶和〈 a 〉位错的反应，基面螺型〈 a 〉将直接穿过孪晶界，基面混合型〈 a 〉在低应力下将被孪晶界吸收或与孪晶界相连形成基面-柱面或柱面-基面界面，而在高应力下会通过位错的嬗变(transmutation)转化为连接着孪晶界一层高度台阶的I1层错或形成孪晶内的〈 c+a 〉位错，如图1所示。对于孪晶{10-12}和〈 c 〉或〈 c+a 〉位错的反应，可生成孪晶界上的基面-柱面或柱面-基面台阶、孪晶或基体内〈 a 〉位错、以及各种基面层错如I1层错、I2层错或者是成对的I1层错，如图2所示。由于不同缺陷移动能力不同，位错通过{10-12}孪晶界向其它类型缺陷的转化改变了镁合金塑性变形能力，同时层错的产生可通过阻碍其它缺陷运动造成应变强化。对于{10-11}孪晶和基面〈 a 〉位错的反应，螺型〈 a 〉位错将在界面分解成为两个可滑移的孪生位错，混合型〈 a 〉位错则分解为一个可滑移的孪生位错和一个界面缺陷。而{10-11}孪晶和柱面〈 c+a 〉位错可反应生成晶体内基面混合型〈 a 〉位错或I1层错。{10-11}孪晶和位错的反应有助于促进晶界移动，释放孪晶界上集中应力。

图1 基面混合型〈 a 〉在低应力下被{10-12}孪晶界吸收(a-b)或与孪晶界相连(c-d)，在高应力下穿过孪晶界形成I1层错(e-f)或者〈 c+a 〉位错(g-h)

图2 〈 c 〉或〈 c+a 〉位错与{10-12}孪晶和的反应生成〈 a 〉位错和是成对I1层错(a-b)，孪晶界面上台阶(c-d)，或是I1、I2层错(e-f)

{10-12}或{10-11}孪晶均存在六种变体，不同变体之间可发生反应生成孪晶与孪晶间的界面，包括孪晶-孪晶锐角边界(twin-twin boundary acute)、孪晶-孪晶钝角边界(twin-twin boundary obtuse)以及孪晶边界界面(twin boundary interface)。界面位错可富集在孪晶与孪晶的不同边界上，导致孪晶的进一步生长需要更大的外界应力，从而造成应变强化。另外，界面位错的出现也可在循环加载过程通过阻碍退孪生过程造成循环硬化。

孪晶内部再次发生孪生变形会形成双孪晶结构，常见的双孪晶结构包括{10-12}- {10-12}和{10-11}-{10-12}。{10-12}- {10-12}双孪晶中二次孪晶通常生长于两个一次孪晶交界处，形成IPT-RPT-ST构型，这里IPT指被相交的一次孪晶（intersecting primary twin），RPT指包含二次孪晶的一次孪晶（recipient primary twin），ST指二次孪晶（secondary twin），如图3所示。定义RPT为Ti，IPT为Tj，ST为Tij，根据RPT和IPT两个变体间关系，有三种IPT-RPT-ST构型，包括T2-T1-T12 (类型I)，T3-T1-T13 (类型II) 和 T4-T1-T14 (类型III)，如表1所示。由于类型I构型中RT的形核可降低体系弹性应变能，类型I最为常见，其变体的选择受到多种应力的影响，其中预先存在IPT和ST边缘的集中应力占最主导地位。{10-11}-{10-12}双孪晶的最常见结构是二次孪晶与基体沿<1-210>晶轴约有38°取向差。而这种结构之所以最容易产生是由于该角度下一次孪晶和二次孪晶的孪晶面夹角最小，二次孪晶生长所需应变最小。{10-11}-{10-12}双孪晶的产生通常与镁的断裂有关，这是由于二次孪晶内部取向有利于基面位错滑移，易形成集中剪切带，从而导致裂纹倾向于沿二次孪晶与基体边界形核生长，最终造成断裂失效。

图3 IPT-RPT-ST 结构示意图。被相交的一次孪晶(intersecting primary twin，IPT), 

二次孪晶形核生长所在的一次孪晶(recipient primary twin，RPT) ,二次孪晶(secondary twin, ST)的孪晶面粉笔用橘色、绿色和蓝色表示

表1 三种IPT-RPT-ST 构型的晶体学特征

三、结论与展望

尽管已有大量文献报道了镁或镁合金中孪晶和晶格缺陷的交互作用及其影响，但仍有许多方面缺乏研究。首先，针对于孪晶和溶质原子的交互作用，大多工作聚焦在孪晶界和替代溶质，而孪晶与间隙溶质，如氧、氢等之间的交互作用则研究较少。其次，孪晶和位错反应目前聚焦于{10-12}孪晶，且主要针对完全共格孪晶界，却忽略了{10-12}孪晶界上频繁出现的基面-柱面/柱面-基面半共格界面。并且，{10-11}、{10-13}其它类型孪晶和不同位错的反应还未有系统全面的报道。对于孪晶与孪晶的反应，除了形成孪晶-孪晶边界，{10-12}- {10-12}或{10-11}- {10-12}双孪晶结构，还可能形成其它的特殊结构，如在钛合金中发现的顺序孪生(sequential twinning)，然而这方面却尚未有深入研究。对此，未来工作可针对当前研究不足，全面系统研究镁及镁合金中不同类型孪晶与不同类型缺陷的交互作用及其所带来的微观组织和宏观性能变化。相关研究成果可指导镁合金成分设计和变形工艺优化，为提高镁合金性能提供科学指导。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第10期：

[1] Yuan Yue, Jian Wang, Jian-Feng Nie*. Twin-solute, twin-dislocation and twin-twin interactions in magnesium [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(10): 3427-3462.

五、中文摘要

镁合金因重量轻、比强度高、铸造性好等优点被广泛研究。然而，与立方材料相比，镁合金的塑性变形更为复杂，这主要是由于其低对称性密排六方（hcp）晶体结构。变形孪生是镁合金中一种重要的塑性变形机制，孪生可以通过与其他晶格缺陷的相互作用影响微观结构的演变，从而影响力学性能。本文综述了镁及其合金中变形孪生与晶格缺陷（如溶质原子、位错和孪生）之间的相互作用。首先将介绍孪生边界与钇、锌、银等替代溶质以及氢和氧等间隙溶质之间的相互作用，然后介绍孪生与位错的相互作用，主要涉及{10-12}拉伸孪生或{10-11}压缩孪生与〈 a 〉、〈 c 〉或〈 c+a 〉型位错。接着报道了孪生与孪生的相互作用，包括发生在{10-12}或{10-11}同种孪生的六种变体之间，或不同类型的孪生之间。详细讨论了孪生与孪生交互作用产生的结构，包括孪生-孪生结或边界、拉伸-拉伸双孪晶和压缩-拉伸双孪晶结构。最后，本综述指出了有关镁中孪生与晶格缺陷相互作用方面仍存在的研究问题，并为该领域的未来工作提供了建议。

六、英文摘要

Magnesium alloys have received considerable research interest due to their lightweight, high specific strength and excellent castability. However, their plastic deformation is more complicated compared to cubic materials, primarily because their low-symmetry hexagonal close-packed (hcp) crystal structure. Deformation twinning is a crucial plastic deformation mechanism in magnesium, and twins can affect the evolution of microstructure by interacting with other lattice defects, thereby affecting the mechanical properties. This paper provides a review of the interactions between deformation twins and lattice defects, such as solute atoms, dislocations and twins, in magnesium and its alloys. This review starts with interactions between twin boundaries and substitutional solutes like yttrium, zinc, silver, as well as interstitial solutes like hydrogen and oxygen. This is followed by twin-dislocation interactions, which mainly involve those between {10-12} tension or {10-11} compression twins and < a >, < c > or < c + a > type dislocations. The following section examines twin-twin interactions, which occur either among the six variants of the same {10-12} or {10-11} twin, or between different types of twins. The resulting structures, including twin-twin junctions or boundaries, tension-tension double twin, and compression-tension double twin, are discussed in detail. Lastly, this review highlights the remaining research issues concerning the interactions between twins and lattice defects in magnesium, and provides suggestions for future work in this area.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

乐园（第一作者），澳洲莫纳什大学材料科学与工程专业博士，西安科技大学副教授，主要从事镁合金内不同缺陷（孪晶、位错、层错等）形成机制及交互作用的研究，擅长镁中形成缺陷的晶体学理论分析、不同缺陷的微观组织表征，以及缺陷形成及相互反应的模拟计算。研究成果多次发表于《Journal of magnesium and alloys》，《Scripta Materialia》,《Acta Materialia》等金属领域知名期刊。

聂建峰（通讯作者），长江学者，澳洲莫纳什大学、重庆大学教授，国际著名期刊《Metallurgical and Materials Transactions A》副主编。在轻金属材料设计与研发、沉淀物析出与强化、微观结构透射电子显微学表征等基础理论研究及其应用方面有突出成就，特别是在镁合金材料领域有一系列重大成果。于《Sicence》，《Nature Communications》，《Acta Materialia》，《Scripta Materialia》等国际著名期刊上发表论文数百余篇，被引用上万多次。