形變孿生

形變孿晶是指晶體受力後以產生孿晶的方法而進行的切變過程。孿生是鎂合金中除滑移外最重要的一種變形機制。跟滑移一樣，鎂合金髮生孿生時也需要有切應力的作用，也是位錯運動的結果。與滑移不一樣的是，孿生是不全位錯(或稱部分位錯)運動的結果，而滑移則是全位錯運動的結果。

基本介紹

• 中文名：形變孿生
• 外文名：Deformation twin
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 釋義：晶體受力後以產生孿晶的切變
• 典型：鎂合金

鎂合金的孿生

孿生是鎂合金中除滑移外最重要的一種變形機制。跟滑移一樣，鎂合金髮生孿生時也需要有切應力的作用，也是位錯運動的結果。與滑移不一樣的是，孿生是不全位錯(或稱部分位錯)運動的結果，而滑移則是全位錯運動的結果。

一般來講，滑移在無法繼續進行下去的時候產生應力集中區，孿生在這樣的區域內很容易發生。孿生是晶體晶格原子的均勻切變，也即是在切變區內，和孿生面平行的每一個原子層在孿生方向上運動的距離跟原子平面到孿生面的距離成正比，且對於切變區，每兩個相鄰的原子面之間在孿生過程中的相對滑移量是一樣的。孿生不改變晶體的晶格類型，但孿生後孿生區域的晶格與基體晶格形成鏡面對稱的位向關係。跟滑移一樣，孿生也存在孿生面和孿生方向，也即是孿生也是在一定的晶面和晶向上進行的，在塑性變形時能否發生孿生與晶體的對稱性有關。

鎂合金屬於HCP結構，室溫附近基面滑移的CRSS值比孿生的要低得多，但是由於鎂合金的基面滑移僅有兩個獨立滑移系，且室溫附近非基面滑移很難啟動，當晶體取向不利於滑移時，孿生就主導塑性變形過程。

影響鎂合金孿生的主要因素

晶粒取向

由於孿生是有極性的，因此鎂合金的晶粒取向與應力方向的關係對孿生發生的難易程度以及哪一種孿生模式啟動具有重要的影響。在鎂及其合金中，由於基面滑移的臨界剪下應力遠遠低於孿生以及非基面滑移的臨界剪下應力，一般來講，只有當滑移無法進行時，孿生才啟動。

變形溫度

變形溫度對鎂及其合金的塑性變形機制具有重要的影響。在室溫附近變形時，在較小的臨界剪下應力作用下鎂及其合金的基面滑移即可啟動，而激活孿生和非基面滑移的臨界剪下應力遠高於基面滑移的。一般地，只有當基面滑移無法進行時孿生才啟動。對於一些具有較強起始織構的鎂合金，例如擠壓鎂合金，大多數晶粒的基面幾乎都平行於ED方向，當存在平行於ED方向的壓應力時，基面滑移的施密特因子幾乎趨近於零，基面滑移難以啟動，所以變形一開始幾乎就是孿生主導塑性變形過程。而變形溫度越高，非基面滑移啟動的臨界剪下應力值減小，在一定的溫度下，由於非基面滑移在受熱條件下被激活，對釋放塑性變形中的應力集中具有重要作用，成為協調塑性變形的主要機制，孿生對塑性變形的貢獻相對減小。

晶粒尺寸

研究己表明，孿晶優先在尺寸較大的晶粒內發生，晶粒越大，越利於孿晶的生成。晶粒尺寸對孿生的影響主要體現在相同的變形條件下，晶粒尺寸不同，則合金的形變機制不一樣，如細小的晶粒在塑性變形時容易發生晶界滑移來協調不均勻變形以釋放應力集中，使局部應力集中達不到孿生所需要的臨界切應力而使孿晶未被激活。如果晶粒尺寸較大，則位錯滑移程長，不容易發生晶界滑動，容易形成局部應力集中而發生孿生變形。

應變速率

鎂合金的形變機制受應變速率的大小影響。一般來講，應變速率越大，合金塑性變形過程中越傾向於孿生。這主要是由於應變速率增大時，交滑移及晶界滑移等塑性變形方式不易進行，導致局部應力集中，從而促進孿生。尤其是在室溫附近以較高的速率變形時，孿生很容易發生，成為了主導鎂合金塑性變形的主要機制。

孿生對合金晶體取向的調整

鎂合金的力學行為對晶粒取向和應力方向具有較強的敏感性，這主要是由孿生的極性及孿生在鎂合金塑性變形中起的重要作用決定的。與滑移變形不同的是，孿生變形能夠改變晶粒的取向，因此，經過孿生變形後的金屬的晶粒取向與未變形之前相比發生了較大的變化，這種變化對合金的繼續變形有著重要的影響。在擠壓態鎂合金中，通常是基面平行於ED方向，這種取向有利於沿ED壓縮時產生孿晶，沿ED方向拉伸時產生孿晶。通常，對擠壓態鎂合金來說，由於孿晶的產生，晶體的取向做了約86.3°的改變，使得原來平行於ED方向的基面變成幾乎垂直於ED方向。孿生程度越高，晶體的取向改變百分比越大。這樣，由於取向的改變，合金在經孿生預變形後的力學行為就會與沒有預變形時具有較大的差異。同樣地，對於軋制態鎂合金板，能夠產生孿晶的預變形也具有相似的作用。

孿生對合金顯微組織的影響

一般地，對於熱變形的鎂合金，變形之後在合金中是沒有孿生組織的。變形鎂合金在室溫附近變形，則很容易產生孿生。孿生除了能夠調整合金的晶體取向之外，對鎂合金的顯微組織也有重要的影響，這種影響對合金在隨後變形中的力學行為也是有一定的影響的。通常，由於預變形的存在，在合金中產生了片層狀的孿晶。由於孿晶的出現，在合金的晶粒中引入了很多孿晶界，由於孿晶界兩側晶粒取向不同，這些界面的出現細化了晶粒，能夠阻礙位錯的滑移，對強化合金具有一定的作用。

孿生對合金力學行為的影響

由於孿生對鎂合金織構的調整作用及對顯微組織的影響，早期變形引入的孿晶對合金隨後的變形力學行為有重要的影響。以擠壓態鎂合金為例，沿ED方向預先壓縮引入孿晶，能夠使合金的晶粒取向調整86.3°，使得大多數晶粒的基面幾乎垂直於ED方向，在隨後的反向拉伸中，由於退孿生的產生，材料的屈服強度較沒經預變形的鎂合金明顯降低，而同向繼續壓縮的屈服強度則明顯升高。

根據預變形對合金織構的調整和顯微組織的影響，綜合利用各種預變形手段，能夠有效地改善變形態鎂合金的拉壓屈服不對稱性、各向異性等。

鎂合金中形變孿生機理研究現狀

不同於立方晶系，六方晶系的孿生機制至今沒有得到明確的確認，現有的幾種孿生機制也存在著不足，有的甚至存在著爭議。按照孿生的定義，基體與孿生區晶格點陣關於孿生面對稱，在孿生過程中孿生面上的原子是保持不動的。晶體的一部分在形變過程中保持不動，稱為基體;另一部分相對基體沿著孿生面和孿生方向做切變，形成與基體關於孿生面鏡面對稱的晶格點陣。在立方晶系的孿生中，只需通過原子的切變即可完成對稱，但是密排六方僅靠原子的切變無法完成。