純鋁中可逆形變孿晶機理研究

上一篇 / 下一篇 2011-07-25 09:04:03

沈陽材料科學國家（聯合）實驗室近期在純鋁的可逆變形孿晶機理研究方面取得重要進展。固體原子像研究部博士生李白清在導師隋曼齡研究員和美國匹茲堡大學毛星原教授的指導下，通過原位拉伸高分辨電鏡觀察研究發現：粗晶純鋁不僅在高應力作用下能夠產生形變孿晶，而且其形變孿晶是可逆的，伴隨著自發的退孿晶過程。在美國約翰霍普金斯大學馬恩教授研究組的幫助下，用分子動力學模擬進一步證實了純鋁中自發的退孿晶過程。研究表明，發生自發退孿晶的原因可歸結于純鋁具有高的層錯能和對肖克萊不全位錯運動較低的阻力。這類自發的可逆變形孿晶可能成為高層錯能金屬形變過程中普遍存在的一種新機制。該研究結果已于5月20日由Physical Review Letters在線發表。

對于許多金屬而言，孿晶過程通常是不可逆的，因而形變孿晶成為一種重要的塑性形變機制。但是，對于具有高層錯能的純鋁來說，傳統觀點認為是不產生形變孿晶的。2003年Chen等在Science上報道了在納米晶鋁中產生了形變孿晶。他們認為，形變孿晶的產生與納米晶粒尺寸有直接關系。隨著晶粒尺寸減小到幾十納米，形變機制由全位錯滑移機制向不全位錯主導的機制轉變，從而在納米晶鋁中可以觀察到形變孿晶和層錯。那么，在普通純鋁中，是否真的不能產生形變孿晶？或者是可以產生形變孿晶但卻很少被觀察到？由于目前尚缺乏令人信服的實驗證據，因而一直無法回答這些基本問題。

該論文作者采用在高分辨透射電子顯微鏡下原位拉伸的實驗方法，研究了室溫下普通純鋁在裂紋尖端高應力狀態作用下的形變行為。在原子尺度上原位觀察到純鋁中形變孿晶的產生及回復的整個動態過程。實時觀察發現：在加載狀態下，形變孿晶的生長是通過孿晶界上的肖克萊位錯臺階向前推移（即孿晶界遷移）實現的；在應力松弛過程中，孿晶停止生長，繼而自發地發生退孿晶現象，直至形變孿晶完全消失。原位高分辨透射電鏡觀察和分子動力學計算模擬結果均表明，退孿晶過程由兩個階段組成。首先是，孿晶界臺階處的肖克萊位錯在表面鏡像力的作用下，克服位錯運動阻力向后移動，孿晶界遷移使孿晶片層變薄；然后是，在鏡像力和消除高能態孿晶界面驅動力的共同作用下，整個孿晶片層快速完全消失。由于鋁的層錯能很高，形變孿晶的形核尺寸相對較小，不僅表面鏡像力的作用顯著，而且在粗晶材料中不易被晶界和位錯釘扎，從而容易實現形變孿晶的完全回復。所以，與納米晶鋁中晶界阻礙了形變孿晶的自發退孿晶過程不同，人們很難在變形后的普通純鋁中觀察到這種形變孿晶。

純鋁中這種自發退孿晶現象的發現，豐富了人們對高層錯能金屬形變機制的認識。