金屬所面心立方晶體疲勞位錯組態形成規律研究取得進展

2020-12-06 和訊

　　從2005年開始，中科院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究員和李鵬博士(600804,股吧)在綜合分析前人大量研究成果的基礎上，針對其中的薄弱環節展開補充實驗工作，進一步完善了FCC晶體的研究體系。在深入理解影響FCC晶體微觀位錯組態影響因素的基礎上，進一步將內外因素加以區分，最終得出關於FCC晶體循環形變行為，特別是疲勞位錯組態演化的基本規律。

　　眾所周知，面心立方（FCC）晶體循環形變行為的廣泛研究起始於1956年Thompson對銅晶體中滑移帶「駐留」（PSB）現象的發現。上世紀50年代到70年代，大量研究工作集中於揭示駐留滑移帶的力學及結構特性，包括硬度、位錯分布、體積分數、兩相模型等。基於這些早期的研究工作，Mughrabi於1978年建立了著名的單滑移取向銅單晶體的循環應力-應變（CSS）曲線，這是第一次定量化地將FCC晶體的宏觀應力－應變響應與微觀位錯結構聯繫起來。進入80年代，Bretschneider和Holste領導的研究小組從溫度和取向這兩個因素入手完整地闡述了鎳單晶體循環形變行為的主要特徵。自從上世紀90年代初，在王中光研究員的帶領下，材料疲勞與斷裂國家重點實驗室圍繞取向對銅單晶體循環形變特別是微觀位錯組態形成機理展開了一系列的研究工作，建立了完整的關於取向效應與位錯組態形成的關係圖譜。同一時期，各種其他FCC晶體，包括鋁、銅鋁合金、銅鋅合金單晶體疲勞行為的研究也相繼展開。

　　研究人員研究表明：影響FCC晶體循環形變行為的核心因素包括晶體取向、層錯能和短程有序，後兩者可進一步統稱為滑移方式的影響。因此，在系統地分析和比較了不同FCC晶體循環形變行為後，他們提出了FCC晶體中各種規則位錯組態的形成機理以及演化過程的物理本質。這一研究課題的完成不僅對FCC晶體家族疲勞損傷與斷裂的研究有著重要的理論意義，也會對深入理解金屬晶體的塑性形變行為，滑移與孿生之間的競爭關係具有重要的意義。上述研究成果主要歸納如下：

　　1. 首次揭示了不同取向銀單晶體在不同應變幅下的循環形變和相應的位錯組態特徵。銀單晶的CSS曲線依據取向的不同呈現出兩個飽和平臺：單滑移、共軛雙滑移和[011]多滑移取向晶體形成梯牆結構，平臺飽和應力為18~21MPa，而形成迷宮結構的臨界雙滑移取向晶體和形成胞結構的共面雙滑移取向晶體，平臺飽和應力為25~26MPa。

　　2. 系統地總結了不同取向銀單晶體各種典型疲勞位錯組態的形成，並結合銅和鎳單晶體的實驗結果，對FCC晶體疲勞位錯組態的晶體學效應進行了概括，即單滑移取向銅、鎳、銀3種單晶體的CSS曲線均有飽和平臺，平臺應力分別為50MPa，28MPa和20MPa；位錯組態的取向關係可用取向三角形中的3個區域歸納表示：以單滑移和[011]多滑移取向的梯牆結構為代表的「中心區」；以迷宮結構為代表的[001]區和以胞結構為代表的區。

　　3. 通過對3種典型多滑移取向銅單晶體進行分析，可以進一步發現，複雜位錯組態的形成取決於優先開動的次滑移系統，臨界次滑移系的開動決定了迷宮結構的形成；共面次滑移系的開動決定了胞結構的形成；而如果沒有次滑移系及時開動，更高的塑性形變將通過位錯牆構成的形變帶(DBII)所承擔。總之，位錯組態的形成與晶體取向有直接的關係，進一步則可以歸結為位錯運動對滑移系統的選擇。如果考慮將非密排面的滑移系統與位錯反應之間的關聯，可以簡化整個位錯反應的過程，從中得出了「高階「(迷宮、胞和牆)位錯組態形成的規律及其幾何機理。

　　4. 在分析和對比高層錯能的鋁晶體，中等層錯能的鎳、銅、銀晶體和低層錯能的銅鋁晶體循環形變和位錯組態特徵的基礎上，可以判斷滑移方式是影響位錯組態不同形態的根本原因。進一步分析表明，層錯能和短程有序對滑移方式的改變至關重要，層錯能高的材料更多地表現為波狀滑移，比如鋁、鎳、銅等；而層錯能低的材料，如高溶質含量的銅鋁、銅鋅合金，則表現為平面滑移，這時短程有序取代層錯能值成為主要影響因素。滑移方式的改變直接影響到位錯的捕獲和交互作用，最終決定了微觀位錯組態的不同聚集形態。

　　上述研究結果從2008年開始陸續在Acta Mater、Philos Mag、Scripta Mater等刊物上發表，其中Acta Mater論文3篇。由於材料疲勞與斷裂研究部多年來在面心立方金屬疲勞損傷行為方面系統的研究，2009年8月收到Progress in Materials Science刊物主編Arzt教授的邀請，為該刊物撰寫長篇綜述論文Fundamental factors on formation mechanism of dislocation arrangements in cyclically deformed fcc single crystals。(全文連結：http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.12.001)。

　　本項研究工作得到國家自然科學基金重大項目、國家傑出青年基金和中國科學院「百人計劃」項目的資助。

　　

　　圖1　不同取向晶體位錯組態的形成原因—位錯運動與滑移系選擇：(a) 潛在柏氏矢量；(b) 滑移與剪切系統；(c) 位錯組態的運動；(d), (e), (f) 滑移與剪切系統的選擇。

　　圖2　面心立方金屬或合金循環變形過程中不同位錯組態形成的基本判據—層錯能與短程有序的影響。

（責任編輯： HN666）

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