近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心研究生余倩在导师孙军、肖林等指导下，与美国宾夕法尼亚大学李巨教授、丹麦瑞瑟国家实验室黄晓旭博士合作，对微小尺度金属单晶材料中的孪晶变形行为及其对材料力学性能的影响进行了深入研究，发现单晶体外观尺寸对其孪晶变形行为的强烈影响，以及相应材料力学性能的显著变化。该研究结果发表在1月21日出版的《自然》杂志上。
孙军等通过实验设计，基于六方晶体结构金属孪晶、位错滑移变形的特异性，选取钛—5%铝合金单晶中以孪晶变形为主导塑性变形方式的晶体取向，有针对性地研究了孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理。结果发现，当外观几何尺度减小到微米量级时，与相应宏观块体材料相同，材料的塑性变形仍以孪晶切变为主，但材料的屈服强度及其塑性变形中能够承受的最大流变应力均有显著的提高。但当晶体的外部几何尺度进一步减小到亚微米量级时，其塑性变形方式将发生根本性转变：孪晶变形被位错滑移变形所取代。而发生这一转变的临界特征晶体尺寸为1微米左右，远大于多晶纳米材料强度极值对应的20纳米。文中提到，由于仅有1%左右的位错可作为极轴，而晶体尺寸愈小，就愈难于利用螺型位错的极轴作用将两个相邻的滑移面有效耦合在一起形成孪晶，从而解释了孪晶变形具有强烈的晶体尺寸效应和“尺寸愈小、强度愈高”的内在原因。
该研究结果对于系统认识微小尺度材料的力学行为有着十分重要的作用。对于微电子元器件与微机电系统所用材料的性能表征评价与设计，特别是利用其强度的强烈晶体尺度效应进行微纳加工等具有重要指导意义。