動(dòng)態(tài)塑性變形下六方金屬的形變孿晶及孿生機(jī)理研究.pdf

1、如何提高密排六方(hexagonal close packed,HCP)金屬的塑韌性及其加工性能,一直是一個(gè)尚待解決的重要問題,其原因在于HCP金屬中位錯(cuò)滑移系有限,滑移變形不能滿足形狀改變所必須的5個(gè)獨(dú)立應(yīng)變分量的變形協(xié)調(diào)條件,變形機(jī)制一般由孿生主導(dǎo)。但至今HCP金屬的孿生機(jī)制,即孿晶形成及長(zhǎng)大過程受到多重復(fù)雜因素影響已備受爭(zhēng)議,究竟如何至今尚不清楚。對(duì)此,大量的計(jì)算機(jī)模擬工作已展開,然而在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證卻很少。本論文在實(shí)驗(yàn)工作基

2、礎(chǔ)上對(duì)HCP金屬變形孿晶進(jìn)行研究,尤其是對(duì)孿晶界(因?yàn)閷\晶界處于孿晶長(zhǎng)大的位置上,它的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致孿晶的長(zhǎng)大)的研究已成為當(dāng)務(wù)之急。
　　本論文以純鈷(Co),純鈦(Ti)以及鎂合金(AZ31)等HCP金屬為研究對(duì)象,對(duì)以上三種HCP金屬進(jìn)行動(dòng)態(tài)塑性變形(dynamic plastic deformation,DPD)實(shí)驗(yàn),使用高分辨透射電鏡(High-resolution transmission electron microsc

3、opy,HRTEM)對(duì)變形后樣品中的{1012}和{1011}孿晶形態(tài)進(jìn)行表征分析,并通過構(gòu)建物理模型(基于位錯(cuò)理論)對(duì)變形孿晶進(jìn)行分析與討論。主要研究成果包括:
　?、賹?duì)Co,Ti和AZ31中{1012}孿晶界面精細(xì)結(jié)構(gòu)分析得到:由于界面缺陷存在于{1012}孿晶界,導(dǎo)致孿晶界偏離了{(lán)1012}孿晶面一定的角度(但是通常不會(huì)超過幾度)。構(gòu)建拓?fù)淠Ｐ蛯⑺x取的三種典型的界面缺陷分別標(biāo)記為b-2/-2,b-3/-4和b17/17,并

4、運(yùn)用柏氏回路法計(jì)算出{1012}孿晶中各種類型界面缺陷的能量。在嚴(yán)格遵守位錯(cuò)理論前提下,提出三種產(chǎn)生界面缺陷可能的機(jī)制:第一,在孿生過程中不斷地自動(dòng)生成孿生位錯(cuò)b2/2;第二,界面缺陷之間的相互作用;第三,基體位錯(cuò)在孿晶界面上分解。
　?、贑o,Ti和AZ31的透射電鏡低倍相和高分辨相照片顯示了{(lán)1012}孿晶界面不在一個(gè)恒定的平面上,而且{1012}孿晶取向差沒有固定的值,通常偏離了理論上的取向差(86.3°)。對(duì){1012}孿

5、晶界面進(jìn)行系統(tǒng)地表征,總體上把{1012}孿晶界分為兩種:第一種為規(guī)則型的孿晶界(指{1012}孿晶界面在{1012}孿晶面上,且{1012}孿晶取向差接近于理論上的取向差86.3°);第二為不規(guī)則性的孿晶界(指{1012}孿晶界面完全偏離了{(lán)1012}孿晶面上,且{1012}孿晶取向差較大角度理論上的取向差86.3°)。其中,規(guī)則型的界面包括:連續(xù)性孿晶界面(coherent twinning boundary,CTB),正交孿晶界界

6、面(basal-prismatic interfaces,BPsorPBs)和鋸齒狀孿晶界面(serrated coherent twinning boundary,SCTB)。而不規(guī)則性的孿晶界非常復(fù)雜,不存在一定的規(guī)律性。根據(jù)連續(xù)性孿晶界面和正交孿晶界界面概念的提出,并基于位錯(cuò)理論的基礎(chǔ)上提出了兩種機(jī)制來(lái)解釋{1012}孿晶中產(chǎn)生大量堆垛層錯(cuò)的原因。這兩種機(jī)制分別為:第一種機(jī)制,孿生位錯(cuò)(twnning dislocations,T

7、Ds)首先在連續(xù)性界面(CTB)形核并移動(dòng),導(dǎo)致連續(xù)性界面(CTB)的移動(dòng)。孿生位錯(cuò)(TDs)可能會(huì)分解為界面位錯(cuò)(interfacial dislocations,IDs)位錯(cuò)并且在BP/PB界面上攀移,導(dǎo)致BP/PB界面的移動(dòng);第二種機(jī)制,界面位錯(cuò)(IDs)位錯(cuò)首先在PBs/BPs界面形核并且在其界面上攀移,導(dǎo)致PBs/BPs界面的移動(dòng),界面位錯(cuò)(IDs)可能會(huì)分解為孿生位錯(cuò)(TDs),產(chǎn)生的孿生位錯(cuò)在連續(xù)性界面上滑移致使連續(xù)性界面

8、(CTB)移動(dòng)。而BP/PB界面的移動(dòng)可以使得殘余位錯(cuò)積聚,并且阻礙孿晶界的進(jìn)一步移動(dòng),最終會(huì)在基面上分解成基面位錯(cuò)以及不全位錯(cuò),而不全位錯(cuò)的移動(dòng)可以產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)。
　　③我們實(shí)驗(yàn)上的高分辨照片證實(shí)了經(jīng)典的{1012}孿生理論,表明{1012}孿生位錯(cuò)的移動(dòng)可以使{1012}孿晶長(zhǎng)大。然而,任何孿生機(jī)制都需要熱激活和應(yīng)力集中,所以沒有固定的機(jī)制來(lái)解釋產(chǎn)生一個(gè)完整的孿晶,而且這些孿生機(jī)制都是不完整的。在我們的高分辨照片發(fā)現(xiàn)大多數(shù){1

9、012}孿晶界面并不在{1012}孿晶面上,而且{1012}孿晶取向差也大角度的偏離了理論上的86.3°。此時(shí),不能再由孿生位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)使{1012}孿晶長(zhǎng)大(經(jīng)典的孿生理論),因?yàn)閷\生位錯(cuò)的移動(dòng)只能使{1012}孿晶界嚴(yán)格的平行于孿生方向(η1),而且取向差也不會(huì)大角度的偏離86.3°。所以,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上證實(shí)了Li等學(xué)者所提出的擾動(dòng)(Shuffle)機(jī)制,并解釋了擾動(dòng)機(jī)制可以作為{1012}孿晶長(zhǎng)大的主要機(jī)制。通過構(gòu)建物理模型,闡述了

10、擾動(dòng)機(jī)制是如何使{1012}孿生變形產(chǎn)生應(yīng)變的,其本質(zhì)在于基體與孿晶之間的不匹配度而引起的。
　?、軐?duì)Co{1011}孿晶進(jìn)行系統(tǒng)分析得到:1){1011}孿晶界為純鏡面對(duì)稱的孿晶界面,孿晶界上四層的孿生位錯(cuò)(b4)核心結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊,并且該位錯(cuò)的剪切方向是嚴(yán)格平行于{1011}孿生方向(η1)的。2)構(gòu)建拓?fù)淠Ｐ皖A(yù)測(cè)b4孿生位錯(cuò)的拓?fù)鋮?shù)(柏氏矢量大小和臺(tái)階高度)與用柏氏回路法計(jì)算所得的結(jié)果非常吻合。3)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,證實(shí)了{(lán)1