FCC金属中位错与孪晶界交互作用的原子机制

如何同时提高FCC结构金属材料的强度、延展性等力学性能,一直是材料科学领域的重点和热点问题。研究者们发现在FCC结构金属材料中引入孪晶结构可使其在塑性变形过程中表现出优异的强度、延展性等力学性能。随后,大量的实验及计算模拟研究了孪晶能够提高材料强度并确保其具有高延展性的原子机制,取得了许多重要的成果。本文介绍了FCC结构金属材料中孪晶的结构及形核方式;综述了目前人们在位错与孪晶界交互作用原子机理研究中的主要进展;总结了孪晶界对位错的阻碍、吸收、相互反应等作用机制。为进一步深入研究位错与孪晶界交互作用的机制提供参考,为设计兼具高强度高延展性的FCC金属材料提供思路。

单晶Pt中位错与非共格孪晶界反应的原位原子尺度观察

非共格孪晶界(incoherent twin boundary,ITB)是金属中一种重要的晶界结构,其原子层次结构对金属的力学性能有显著影响。之前虽有一些关于ITB的结构演化及动态行为研究报道,但ITB与全位错相互反应导致ITB结构变化的原位研究还很少见,相关的原子层次机制仍然不清楚。本文以具有高密度生长孪晶的Pt薄膜为研究对象,利用高角环形暗场像揭示了Pt薄膜中ITB的原子结构。在原子层次原位观察到了全位错向ITB运动靠近,然后被ITB吸收的过程。原子尺度的位移分布测量表明全位错向ITB靠近的过程中就会引起ITB结构的变化。分子动力学模拟以及能量计算结果揭示出全位错容易被ITB吸引,然后形成了新的ITB结构而降低系统能量,这一结果很好地解释了这种新ITB结构在生长的薄膜中经常被观察到的原因。

镍基合金表面五重孪晶形成的分子动力学模拟

五重孪晶结构能够改善合金的表面性能,而关于合金五重孪晶化表面的研究较少报道。基于分子动力学模拟和纳米压痕方法,采用嵌入原子势函数(EAM)和等温等压系综(NPT),使用半径为14 nm的圆柱压头以40 m/s的压痕速度沿着[112]晶向对单晶镍基合金持续压痕,采用共领域分析法对合金在应力诱导作用下的变形行为进行了分析。结果表明,非共格孪晶界形成于四个不同{111}滑移面交叉中心附近。交叉中心处白色高能原子发射不全位错,堆垛层错产生。随着不全位错持续发射,孪晶得以形核、生长,孪晶界相继形成,最终五重孪晶形成于合金表面。合金表面中五重孪晶的形成并非源于晶界连续不断发射不全位错,而是与压痕过程中合金表面能量增加以及非共格孪晶界息息相关。