金属所等Laves相金属间化合物位错滑移机制研究取得进展

2011-5-26 09:33 来源: 中国科学院
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  中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部叶恒强院士、杜奎研究员、博士生章炜与清华大学朱静院士、于荣副教授等合作研究,利用球差校正电镜发现在Laves相金属间化合物中,位错通过反复地在上下两个不同的滑移面间来回跳跃,从而以波浪形状的路径向前滑移。这种位错滑移机制的产生归结于Laves相中不同原子层之间结合力的不同。这种特殊的变形机制将有利于解释金属间化合物在高温变形时存在脆-韧转变的特性。该研究结果已在Physical Review Letters (106, 165505, 2011)上发表。

  金属间化合物虽然具有优异的高温力学性能,适合用作耐高温材料,但是它们在室温下的脆性严重地阻碍了其工业应用。这类材料要实现塑性变形,往往需要加热到很高的温度(脆-韧转变温度以上),位错才可能被激活。由于金属间化合物具有复杂和特殊的结构,位错在其中的运动不像在金属中那样简单,它们的滑移往往需要涉及几个甚至几十个原子的协调运动,而不仅仅是在某个固定的滑移面上简单的剪切过程。这样,位错滑移的区域也由一个滑移面扩展为一个滑移区域。这样复杂的过程需要通过高温的热激活降低原子间的键合,从而使得原子的协调运动成为可能。但是,目前还没有足够的实验证据显示这个复杂滑移过程的具体步骤,以解释热激活是如何促进位错运动的。

  科研人员利用球差校正电镜,在原子尺度上确定了Laves相中基面不全位错的核心结构,从而揭示了位错在一个柏氏矢量距离上的运动是由三个阶段组成的:首先,位错在结合力较弱的滑移面上以晶体学滑移的方式移动;接着,位错跳跃至另一个结合力较强的滑移面,以原子重整(shuffle)的方式实现三层原子的重新排列,从而避免了单纯晶体学滑移会造成的高能垒状态;最后,位错返回到原来的滑移面,继续晶体学滑移。由于位错在每个柏氏矢量距离的运动中都必须经历一次原子重整,因此位错的运动需要热激活的帮助才能完成。

  另外,通过对位错周围的定量应变分析,研究也发现了这一特殊的位错结构周围具有异常的应变场分布。虽然利用Foreman模型计算出的位错周围的应变场分布和实验得到的大致相符,即滑移面上半部区域是压应变状态,下半部区域是拉应变状态,但是实验得到的拉应变却是一种花瓣形分布,与集中分布在位错正上方的压应变呈现非对称的形态,甚至在位错核心正下方没有任何应变分布。这种奇特的应变场分布,跟这种特殊的滑移过程导致的位错核心结构有很大关系。这也同时表明,要得到精确的位错应变场分布,尤其是在具有复杂结构的材料中,往往需要精确地确定位错核心结构。

  Laves相中波状滑移机制的发现,不仅有助于理解金属间化合物的脆-韧转变,也将丰富对金属间化合物中位错运动机制的认识,同时也扩展了对于位错性质的认知和理解。自然界中很多脆性材料都具有比较复杂的结构,这也将预示这种波状滑移机制有可能用于解释更多材料的变形过程。

  该研究得到了国家自然科学基金的资助,同时也得到了北京电子显微镜中心和上海超级计算中心的支持。

  

  图1波状滑移机制的示意图。(a)从侧面显示了位错的滑移过程。(b)和(c)从俯视的方向显示了原子沿着Z字形的路径向前运动。(d)中计算模拟像(上)与实验像(下)相互一致。(e)显示了波状滑移是所有可能滑移机制中能垒最低的一条路径。

  

图2 (a)利用LADIA软件对位错核心的高分辨像进行定量分析得到的应变分布图,其中三角形表示了位错核心位置。(b) 实验和理论计算得到的应变分布的比较。