研究背景
此研究聚焦密排六方（HCP）金属（如镁、锆、钛合金）塑性变形过程中孪晶与位错的相互作用机制。孪生诱导的不均匀应力场会显著调控周围位错的演化行为，更是影响材料延展性与损伤开裂的主导因素。现有研究表明，孪晶与位错的相互作用在孪晶形核、扩展和长大阶段呈现出动态且各异的特征，然而，传统的离散位错塑性（DDP）模型通常将孪晶简化为静态的晶体学边界，完全忽略了孪生剪切过程本身伴随的应力场，导致对孪晶-位错相互作用的描述存在根本性缺失。
尽管晶体塑性有限元、相场法等数值方法已广泛用于此类问题的研究，但它们或因计算成本高昂，或因难以克服高应变率孪生剪切引发的数值收敛稳定性问题，且这类介观模型本质上缺乏对位错尺度现象的分辨能力，无法精准捕捉微观层面的交互机制。另一方面，部分前沿DDP研究尝试通过有序排列的孪晶位错阵列模拟孪晶应力场，但这类方法往往需要构建附加位错运动规则，难以同时兼顾基体位错行为与孪晶位错演化过程。
为突破上述研究瓶颈，本研究开发了一种考虑孪晶诱导应力场的新型DDP模型。该模型可完整模拟孪晶从形核、扩展至长大的全过程，同时通过新发展的叠加法精准捕捉了孪晶诱导应力场的对位错运动的贡献。基于该模型，研究成功再现了单晶与双晶中实验观察到的特征性孪晶诱导位错阵列；通过与无孪晶模型的对比分析，进一步定量解析了多晶内部孪晶-位错的动态交互机制，充分展现了该模型在解析HCP金属复杂塑性变形机理方面的强大能力。
成果简介
近期，实验室詹梅教授团队与香港理工大学傅铭旺教授合作，在塑性领域Top1期刊《International Journal of Plasticity》发表了题为 “Investigation of twin-dislocation interactions using a novel discrete dislocation plasticity framework”的研究论文。论文第一作者为博士生辛海，通讯作者为詹梅教授、郑泽邦教授，实验室为第一作者单位。
孪晶诱导的局部应力场会显著调控孪晶周围位错的演化规律，进而影响材料的损伤断裂行为与延展性。在传统位错尺度建模方法中，孪晶建模通常仅考虑孪晶界与晶格重取向，却普遍忽略孪生过程及其应力场，导致对孪晶与位错间相互作用的描述不够完整。为克服这一局限，本研究提出并建立了一种显式引入孪晶的离散位错动力学新模型，不仅实现了对孪晶形核、扩展和生长全过程的模拟，还基于新发展的叠加算法计算了孪晶形成过程中应力场的变化。基于所建模型，成功再现了在单晶与双晶内实验观察到的典型孪晶诱导位错结构。此外，通过与无孪晶模型的对比，实现了对多晶中孪晶—位错相互作用的定量评估，证明了该模型在处理不同微观结构下复杂塑性机制方面的能力。
论文链接：Investigation of twin-dislocation interactions using a novel discrete dislocation plasticity framework - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112793
图文导读
图1. 全文图形摘要
图2. 一种耦合孪晶应力场的DDP叠加法。将复杂的边界值问题分解为位错子问题、孪晶子问题与修正子问题三个部分，成功解决了传统离散位错动力学模型无法准确描述孪晶诱导应力场的问题。
图3. 孪晶诱导位错结构的实验观察和单晶模拟结果。在单晶模型中，模拟结果与TEM实验结果完全一致，显示了两组分别平行和垂直于孪生方向的位错列。
图4. 孪晶诱导位错结构的实验观察和双晶模拟结果。在双晶模型中，模拟结果与SEM观察到的滑移迹线高度吻合，清晰展示了孪晶诱导应力如何通过激活相邻晶粒中的基面位错来弛豫自身。
图5. 不同孪生阶段位错与孪生分切应力的变化。
图6. 孪晶应力场对位错行为的影响。
图7. 不同滑移系中由孪晶引起的位错数量的变化。
结论与展望
提出了一种新的叠加法框架，并将其引入DDP模型，以准确描述孪晶诱导的局部应力场。在此基础上，建立了孪晶形成过程中微观结构演变与应力场之间的定量关联，并实验验证了由该应力场导致的两种不同位错结构。
定量表征了孪晶诱导应力场对位错形核、运动和热激活逃逸的影响，揭示了上述现象的取向依赖性和晶粒尺寸敏感性；
在多晶DDP模型中引入了基于位错结构能面密度的孪晶形核准则，从而实现了对离散孪晶演化的显式描述。通过对几何必需位错与统计储存位错相互作用所主导的结构能进行分析，阐明了孪晶的形成机制。研究还发现，孪晶尖端的局部塑性变形受位错源空间分布与滑移方向的协同调控。
新开发的叠加法为准确预测不同几何形状孪晶的复杂应力场，提供了通用建模框架。尽管本研究充分证明了DDP模型捕获孪晶-位错相互作用的能力，但我们也明确认识到模型与降维相关的根本性局限：具体来看，模型对位错相互作用的平面化限制，使得无法显式模拟螺位错交滑移、位错节演化等关键三维机制。为解决这一局限，未来研究将重点推动当前框架向三维离散位错动力学模型的扩展。
通讯作者简介
◼ 詹梅 教授
西北工业大学教授、博士生导师、国家级领军人才入选者和国家杰出青年基金获得者，精确塑性成形团队负责人。从事高性能轻量化复杂构件精确塑性成形理论与技术研究，先后获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、省部级一等奖等奖励。主持国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等项目30余项。在IJP、JMPT、IJMS等本领域重要期刊发表论文170余篇，获授权国家发明专利和软件著作权80余件，主导/参与制定国标/企标5项。现任中国机械工程学会塑性工程分会名誉副主任委员、常务委员；陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室主任；制造领域国际期刊《Manufacturing Review》副主编、《航空学报》中英文版、《中国机械工程》等期刊编委等。
◼ 郑泽邦 教授
西北工业大学教授、博士生导师。主要从事先进制造技术与工程合金的微观变形机理的研究。近年来主持国家自然科学基金重大研究计划培育/面上/青年项目等十余项，在本领域顶级期刊Int J Plast、Acta Mater和J Mech Phys Solids等发表论文40余篇。在国际会议作邀请报告20余次，获陕西省自然科学一等奖、中国能源研究会能源创新奖技术创新二等奖等奖项，入选2020年人社部 “香江学者”计划。现担任中国机械工程学会塑性工程分会塑性加工理论委员会委员、国际合作委员会秘书。
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