晶界附近位錯的三維結構測量及晶界界面強度估算

《晶界附近位錯的三維結構測量及晶界界面強度估算》是依託華中科技大學，由胡莉莉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：晶界附近位錯的三維結構測量及晶界界面強度估算
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡莉莉
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

對塊體材料內部，晶界與位錯相互作用的實驗觀測一直是一個研究難點。為此，本項目提出一種新的實驗方法，立體的重現微晶界處位錯密度分布的三維結構。此方法利用壓痕實驗在微區域內增生大量位錯的特點，採用取向識別顯微鏡（OIM）和精細機械拋光相結合的方法，以較高的精度構建出晶界處的三維位錯分布；由晶界兩側的位錯密度分布的差異，用離散位錯模擬計算出微晶界承受的最大應力，作為界面強度下限的估算。並重點研究晶界處位錯三維分布與深度、晶粒大小、取向間的關係，微晶界界面強度與材料強度、位錯運動規律間的關係，揭示其內在機理。方法創新性地集中了眾多現有實驗研究方法的優勢，對微晶界的性能及位錯的運動規律做出合理的定量描述。並不同於一般的界面強度測量方法，從純微觀的角度入手，為界面強度的測量提供全新的思路。顯然，本項目不僅在實驗技術方法上做出大膽的創新，而且實驗結果可為多晶材微結構的深入研究提供堅實依據。

結題摘要

金屬材料的力學性能與其微觀結構直接相關，包括晶粒尺寸、晶粒取向和晶界缺陷等眾多因素。而各個因素之間又是互相關聯的。如著名的Hall-Petch關係描述了材料的屈服強度與晶粒尺寸（微尺寸約束）間的定量關係：Sigma1=Sigma0+K*d^(-0.5) ，式中K為常數，d 為平均晶粒大小，n 約為0.5。當d 降到亞微米量級時，金屬材料的強度、塑性及韌性都能得到顯著改善。而其增韌的機理卻是源自於晶界對位錯運動的阻礙作用。並且當晶粒尺寸減小到納米量級時，晶界自身的運動取代位錯運動成為塑性變形主要來源，則表現出反HP效應。 本項目通過對單晶及多晶銅的壓痕實驗來對這些因素做系統地研究。通過單晶材料排除晶界和晶粒尺寸的影響，單看晶粒取向地影響。然後過渡到相應的多晶材料，進一步研究晶粒尺寸的影響。通過對壓痕印附近的三維位錯分布結構的還原，進一步分離出晶界在這其中的關鍵性作用。 在項目的執行過程中獲得了重要的數據和結論。我們發現取向對單晶材料的力學性能的影響是與壓入深度相關的。這一點對彈性性能和塑性性能都是一樣的。隨著壓入深度增加，累積塑性應變也在增加，同時不同取向的彈性模量的差別在不斷減少，直至完全相關。同樣的，不同取向的硬度差也隨著壓入深度地增加而不斷減小。已有的解釋這一現象的基於應變梯度的模型只有某一個深度範圍內符合實驗所得。而對相應的多晶銅的壓痕實驗可發現，首先壓痕尺寸效應的劇烈程度並非是恆定的，對材料的不同處理，或者說是微觀結構的不同會不同程度的影響到尺寸效應。為更清楚的說明，引入了平均位錯自由程的概念。分析了平均位錯自由程在壓痕尺寸效應中的重要作用。對壓痕印附近三維位錯分布的還原則更為形象的看到了位錯與晶界間的相互作用。各位類型的相互作用都可以清晰的看到，包括晶界處的阻塞、穿透、變向、滑移、攀移等。不同的現象對應著不同的作用機理。 以上實驗現象和結論都是由項目負責人首次提出，此前並無類似的研究結果出現。可認為，本項目的研究成果是從基礎上進一步對金屬材料的變形機理的認識。為金屬材料的增韌和改性提供了極重要的實驗和理論依據。