金屬所面心立方金屬層錯能效應研究取得進展

　　隨著現代工業的迅速發展，工業界對於具有高強度、高塑性、高疲勞性能的金屬材料具有重要的需求。中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室以Cu和Cu合金（Cu-Al，Cu-Zn等）模型材料為研究對象，經過近十年的研究探索，系統地揭示了層錯能對微觀結構、拉伸性能、強韌化機制以及疲勞行為等方面的影響規律，豐富和加深了金屬材料同步強韌化及疲勞性能優化的理論，而且對高氮鋼、TWIP鋼及鎳鈷基高溫合金等工程材料的變形機制、強韌化與抗疲勞設計具有重要指導意義。該系列研究獲得國家自然科學基金委重大、重點和面上項目資助（基金號：50890170、51331007、 51101162、51771208、51871223）。近期，相關研究結果發表於Progress in Materials Science 101 (2019) 1、Acta Materialia 144 (2018) 613和Acta Materialia 129 (2017) 98。

　　1、面心立方金屬位錯組態演化統一因子

　　位錯組態的演化路逕取決於滑移方式，層錯能值曾被視為區分滑移方式的首要因素，但除層錯能外，滑移方式還受到短程有序、晶格摩擦應力、外加載荷等內外因素影響。儘管有大量的實驗結果和理論模型，至今仍缺乏對滑移方式的定量化描述。通過將螺位錯湮滅距離與擴展位錯寬度相比，近期該研究組提出關於位錯組態演化的統一因子的概念，揭示了不同位錯組態形成的物理本質。如圖2所示，演化因子越高，層錯寬度變窄而湮滅距離增大，晶體材料將以典型波狀滑移方式為主，交滑移頻繁發生，進而基於取向效應形成不同的三維立體組態結構；演化因子越低，層錯寬度增加而湮滅距離縮小，交滑移越困難，材料以平面滑移方式為主，因此更易出現二維平面位錯結構，如圖1所示。正是由於不同面心立方金屬具有不同的演化因子，因而其塑性變形與疲勞損傷過程中位錯演化表現出截然不同的規律。

　　2、面心立方金屬同步強韌化的層錯能效應

　　對於大多數金屬材料，可以通過單純增加位錯和晶界密度獲得超細晶組織，雖然其強度得到明顯的提高，但是由於加工硬化能力的缺失必然會導致其塑性的降低。通過在銅中加入合金元素降低層錯能，改變位錯滑移方式，乃至引入層錯與孿晶，不但可以有效提高屈服強度，而且在很大程度上可以提高加工硬化能力與均勻延伸率，從而實現強度與塑性同步提升的效果，如圖2a所示。這種通過降低層錯能改善加工硬化能力的方法可以歸納為：1）增加位錯平面滑移程度，降低位錯交滑移傾向性及湮滅距離，從而實現更高位錯密度的存儲，增加加工硬化能力；2）增加層錯及孿晶的萌生能力，促使塑性變形過程中層錯與變形孿晶的出現，將常見於鋼中的孿生誘發塑性（TWIP）機制及動態Hall-Petch效應引入銅合金中，增加加工硬化能力，如圖2b所示。鑑於這種同步強韌化效果是基於變形機制改善而非微觀組織的調整，因此，在粗晶、細晶、超細晶直至納米晶組織範圍內均可以實現強度和塑性同步提升，進而從合金設計上實現金屬材料的同步強韌化。

　　3、面心立方金屬疲勞壽命提高的層錯能效應

　　隨層錯能降低，不但強度與塑性同步提升，而且銅合金的疲勞壽命也同步提升，即隨著合金元素含量增加或層錯能降低，無論是銅鋁合金還是銅鋅合金，其高周、低周及超低周疲勞壽命均得到明顯提高，如圖3所示。關於層錯能對超細晶納米晶材料疲勞損傷機制的影響可以歸結為：1）隨著層錯能降低，位錯交滑移能力下降，從而減緩了因交滑移而導致的位錯湮滅。而這將阻礙由疲勞而引起的晶界遷移、晶界滑移以及晶界轉動，因而材料的組織穩定性得到了改善，循環軟化行為也得到了減緩。2）層錯能的降低也有利於延緩材料疲勞後表面剪切帶的演化，從而抑制了組織在變形過程中發生的應變局部化，增加了變形均勻程度。這兩者都有利於抑制材料循環軟化，延長材料的疲勞壽命。通過這些研究，不但增加了對納米晶材料疲勞損傷微觀機制的認識，而且提出了提高材料疲勞壽命的有效途徑，為超細晶/納米晶材料疲勞性能優化和工程應用提出了新的思路。

　　4、面心立方金屬疲勞強度優化的層錯能效應

　　一般認為，材料疲勞強度隨抗拉強度提高而同步提升。然而近期研究證實，對於特定成分材料，當大範圍調整其晶粒尺寸來改變強度時，材料的疲勞強度隨抗拉強度增加先升高然後再降低，即具有高強度的納米晶金屬材料的疲勞強度不是最優狀態。研究表明：材料強化初期，抗拉強度提高降低了循環變形過程中局部塑性屈服的概率與程度，減緩了疲勞損傷，因而提升了疲勞性能，因此表現出疲勞強度隨抗拉強度增加而升高；而在強化後期，因基體硬化能力過度缺失而引起基體對缺陷的敏感程度急劇增加反而增加了疲勞損傷程度，因而造成疲勞強度隨抗拉強度提高而降低。這種先升後降的規律使得材料強化對疲勞性能的貢獻大打折扣。然而，隨材料層錯能降低，由於形變均勻性提高使疲勞損傷程度整體減弱，因而這種疲勞強度隨抗拉強度提高或晶粒尺寸減小而表現出的先升後降的趨勢在很大程度上被推遲。因此，臨界晶粒尺寸（疲勞強度取得極值時的晶粒尺寸）隨層錯能降低而減小，對應臨界抗拉強度相應增加，最終促使疲勞強度得到大幅度提升，如圖4所示。

　　論文連結：1 2 3

 

圖1 控制FCC金屬材料疲勞後形成不同位錯組態的統一演化因子

 

　　圖2 銅合金同步強韌化的層錯能效應:（a）不同鋁含量銅鋁合金強度塑性倒置關係；（b）銅合金TWIP效應示意

 

　　圖3 銅合金疲勞性能提升的層錯能效應：（a-c）超細晶銅鋁及銅鋅合金高周與低周疲勞壽命曲線；（e）粗晶銅鋁合金低周疲勞壽命曲線；（e）高周與低周疲勞性能優化示意

 

圖4 不同成分與組織銅鋁合金疲勞強度隨拉伸強度（a）與晶粒尺寸（b）的變化

　　隨著現代工業的迅速發展，工業界對於具有高強度、高塑性、高疲勞性能的金屬材料具有重要的需求。中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室以Cu和Cu合金（Cu-Al，Cu-Zn等）模型材料為研究對象，經過近十年的研究探索，系統地揭示了層錯能對微觀結構、拉伸性能、強韌化機制以及疲勞行為等方面的影響規律，豐富和加深了金屬材料同步強韌化及疲勞性能優化的理論，而且對高氮鋼、TWIP鋼及鎳鈷基高溫合金等工程材料的變形機制、強韌化與抗疲勞設計具有重要指導意義。該系列研究獲得國家自然科學基金委重大、重點和面上項目資助（基金號：50890170、51331007、 51101162、51771208、51871223）。近期，相關研究結果發表於Progress in Materials Science 101 (2019) 1、Acta Materialia 144 (2018) 613和Acta Materialia 129 (2017) 98。
　　1、面心立方金屬位錯組態演化統一因子
　　位錯組態的演化路逕取決於滑移方式，層錯能值曾被視為區分滑移方式的首要因素，但除層錯能外，滑移方式還受到短程有序、晶格摩擦應力、外加載荷等內外因素影響。儘管有大量的實驗結果和理論模型，至今仍缺乏對滑移方式的定量化描述。通過將螺位錯湮滅距離與擴展位錯寬度相比，近期該研究組提出關於位錯組態演化的統一因子的概念，揭示了不同位錯組態形成的物理本質。如圖2所示，演化因子越高，層錯寬度變窄而湮滅距離增大，晶體材料將以典型波狀滑移方式為主，交滑移頻繁發生，進而基於取向效應形成不同的三維立體組態結構；演化因子越低，層錯寬度增加而湮滅距離縮小，交滑移越困難，材料以平面滑移方式為主，因此更易出現二維平面位錯結構，如圖1所示。正是由於不同面心立方金屬具有不同的演化因子，因而其塑性變形與疲勞損傷過程中位錯演化表現出截然不同的規律。
　　2、面心立方金屬同步強韌化的層錯能效應
　　對於大多數金屬材料，可以通過單純增加位錯和晶界密度獲得超細晶組織，雖然其強度得到明顯的提高，但是由於加工硬化能力的缺失必然會導致其塑性的降低。通過在銅中加入合金元素降低層錯能，改變位錯滑移方式，乃至引入層錯與孿晶，不但可以有效提高屈服強度，而且在很大程度上可以提高加工硬化能力與均勻延伸率，從而實現強度與塑性同步提升的效果，如圖2a所示。這種通過降低層錯能改善加工硬化能力的方法可以歸納為：1）增加位錯平面滑移程度，降低位錯交滑移傾向性及湮滅距離，從而實現更高位錯密度的存儲，增加加工硬化能力；2）增加層錯及孿晶的萌生能力，促使塑性變形過程中層錯與變形孿晶的出現，將常見於鋼中的孿生誘發塑性（TWIP）機制及動態Hall-Petch效應引入銅合金中，增加加工硬化能力，如圖2b所示。鑑於這種同步強韌化效果是基於變形機制改善而非微觀組織的調整，因此，在粗晶、細晶、超細晶直至納米晶組織範圍內均可以實現強度和塑性同步提升，進而從合金設計上實現金屬材料的同步強韌化。
　　3、面心立方金屬疲勞壽命提高的層錯能效應
　　隨層錯能降低，不但強度與塑性同步提升，而且銅合金的疲勞壽命也同步提升，即隨著合金元素含量增加或層錯能降低，無論是銅鋁合金還是銅鋅合金，其高周、低周及超低周疲勞壽命均得到明顯提高，如圖3所示。關於層錯能對超細晶納米晶材料疲勞損傷機制的影響可以歸結為：1）隨著層錯能降低，位錯交滑移能力下降，從而減緩了因交滑移而導致的位錯湮滅。而這將阻礙由疲勞而引起的晶界遷移、晶界滑移以及晶界轉動，因而材料的組織穩定性得到了改善，循環軟化行為也得到了減緩。2）層錯能的降低也有利於延緩材料疲勞後表面剪切帶的演化，從而抑制了組織在變形過程中發生的應變局部化，增加了變形均勻程度。這兩者都有利於抑制材料循環軟化，延長材料的疲勞壽命。通過這些研究，不但增加了對納米晶材料疲勞損傷微觀機制的認識，而且提出了提高材料疲勞壽命的有效途徑，為超細晶/納米晶材料疲勞性能優化和工程應用提出了新的思路。
　　4、面心立方金屬疲勞強度優化的層錯能效應
　　一般認為，材料疲勞強度隨抗拉強度提高而同步提升。然而近期研究證實，對於特定成分材料，當大範圍調整其晶粒尺寸來改變強度時，材料的疲勞強度隨抗拉強度增加先升高然後再降低，即具有高強度的納米晶金屬材料的疲勞強度不是最優狀態。研究表明：材料強化初期，抗拉強度提高降低了循環變形過程中局部塑性屈服的概率與程度，減緩了疲勞損傷，因而提升了疲勞性能，因此表現出疲勞強度隨抗拉強度增加而升高；而在強化後期，因基體硬化能力過度缺失而引起基體對缺陷的敏感程度急劇增加反而增加了疲勞損傷程度，因而造成疲勞強度隨抗拉強度提高而降低。這種先升後降的規律使得材料強化對疲勞性能的貢獻大打折扣。然而，隨材料層錯能降低，由於形變均勻性提高使疲勞損傷程度整體減弱，因而這種疲勞強度隨抗拉強度提高或晶粒尺寸減小而表現出的先升後降的趨勢在很大程度上被推遲。因此，臨界晶粒尺寸（疲勞強度取得極值時的晶粒尺寸）隨層錯能降低而減小，對應臨界抗拉強度相應增加，最終促使疲勞強度得到大幅度提升，如圖4所示。
　　論文連結：1 2 3
 
圖1 控制FCC金屬材料疲勞後形成不同位錯組態的統一演化因子
 
　　圖2 銅合金同步強韌化的層錯能效應:（a）不同鋁含量銅鋁合金強度塑性倒置關係；（b）銅合金TWIP效應示意
 
　　圖3 銅合金疲勞性能提升的層錯能效應：（a-c）超細晶銅鋁及銅鋅合金高周與低周疲勞壽命曲線；（e）粗晶銅鋁合金低周疲勞壽命曲線；（e）高周與低周疲勞性能優化示意
 
圖4 不同成分與組織銅鋁合金疲勞強度隨拉伸強度（a）與晶粒尺寸（b）的變化