動態(tài)塑性變形下六方金屬的形變孿晶及孿生機理研究.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,一直是一個尚待解決的重要問題,其原因在于HCP金屬中位錯滑移系有限,滑移變形不能滿足形狀改變所必須的5個獨立應(yīng)變分量的變形協(xié)調(diào)條件,變形機制一般由孿生主導(dǎo)。但至今HCP金屬的孿生機制,即孿晶形成及長大過程受到多重復(fù)雜因素影響已備受爭議,究竟如何至今尚不清楚。對此,大量的計算機模擬工作已展開,然而在進一步的實驗上驗證卻很少。本論文在實驗工作基

2、礎(chǔ)上對HCP金屬變形孿晶進行研究,尤其是對孿晶界(因為孿晶界處于孿晶長大的位置上,它的移動會導(dǎo)致孿晶的長大)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金屬為研究對象,對以上三種HCP金屬進行動態(tài)塑性變形(dynamic plastic deformation,DPD)實驗,使用高分辨透射電鏡(High-resolution transmission electron microsc

3、opy,HRTEM)對變形后樣品中的{1012}和{1011}孿晶形態(tài)進行表征分析,并通過構(gòu)建物理模型(基于位錯理論)對變形孿晶進行分析與討論。主要研究成果包括:
　　①對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、運用柏氏回路法計算出{1012}孿晶中各種類型界面缺陷的能量。在嚴(yán)格遵守位錯理論前提下,提出三種產(chǎn)生界面缺陷可能的機制:第一,在孿生過程中不斷地自動生成孿生位錯b2/2;第二,界面缺陷之間的相互作用;第三,基體位錯在孿晶界面上分解。
　?、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{1012}孿

5、晶界面進行系統(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,并基于位錯理論的基礎(chǔ)上提出了兩種機制來解釋{1012}孿晶中產(chǎn)生大量堆垛層錯的原因。這兩種機制分別為:第一種機制,孿生位錯(twnning dislocations,T

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

8、(CTB)移動。而BP/PB界面的移動可以使得殘余位錯積聚,并且阻礙孿晶界的進一步移動,最終會在基面上分解成基面位錯以及不全位錯,而不全位錯的移動可以產(chǎn)生堆垛層錯。
　?、畚覀儗嶒炆系母叻直嬲掌C實了經(jīng)典的{1012}孿生理論,表明{1012}孿生位錯的移動可以使{1012}孿晶長大。然而,任何孿生機制都需要熱激活和應(yīng)力集中,所以沒有固定的機制來解釋產(chǎn)生一個完整的孿晶,而且這些孿生機制都是不完整的。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,不能再由孿生位錯的移動來使{1012}孿晶長大(經(jīng)典的孿生理論),因為孿生位錯的移動只能使{1012}孿晶界嚴(yán)格的平行于孿生方向(η1),而且取向差也不會大角度的偏離86.3°。所以,我們在實驗上證實了Li等學(xué)者所提出的擾動(Shuffle)機制,并解釋了擾動機制可以作為{1012}孿晶長大的主要機制。通過構(gòu)建物理模型,闡述了

10、擾動機制是如何使{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。
　　④對Co{1011}孿晶進行系統(tǒng)分析得到:1){1011}孿晶界為純鏡面對稱的孿晶界面,孿晶界上四層的孿生位錯(b4)核心結(jié)構(gòu)相對緊湊,并且該位錯的剪切方向是嚴(yán)格平行于{1011}孿生方向(η1)的。2)構(gòu)建拓?fù)淠Ｐ皖A(yù)測b4孿生位錯的拓?fù)鋮?shù)(柏氏矢量大小和臺階高度)與用柏氏回路法計算所得的結(jié)果非常吻合。3)在實驗的基礎(chǔ)上,證實了{(lán)1