纳米孪晶金属塑性变形机制

本文综述了纳米孪晶金属材料的塑性变形机制.通过分析纳米孪晶二维结构变形时可启动的滑移位错类型,揭示纳米孪晶金属塑性变形的3种位错机制,即位错塞积并穿过孪晶界机制,Shockley不全位错诱导孪晶界迁移机制以及贯穿位错在孪晶片层内受限滑移机制.通过改变加载方向与孪晶界面的相对取向可实现这3类位错机制的可控转变.     

高压扭转大塑性变形Al-Mg铝合金中的层错和形变孪晶

利用高分辨透射电镜研究高压扭转大塑性变形纳米结构Al-Mg铝合金中的位错、层错和形变孪晶。结果表明:在纳米晶和超细晶内均存在高密度的层错和形变孪晶;形成层错的Shockley部分位错可分别由0°纯螺型位错和60°混合位错分解得到;纳米孪晶既可由晶内层错动态叠加而形成,也可由晶界向晶内不断发射部分位错而向晶内长大,从而分别实验证实了分子动力学模拟预测的均质和非均质形核长大的孪生机制;观察到了由4层层错动态叠加而形成的特殊纳米孪晶。此外,高分辨透射电镜观察表明:在不同滑移面上的层错相交时,形成层错而产生的拖曳部分位错相遇可反应生成压杆位错和Lomer-Cottrell位错锁。依据经典位错理论和晶界发射部分位错的机制,提出了描述超细晶面心立方金属和合金中层错和形变孪晶形核长大的新模型。     

利用分子动力学研究梯度纳米孪晶Cu的微观变形机理

提出了一种新的纳米结构材料即梯度纳米孪晶界结构,并利用分子动力学方法计算了梯度纳米孪晶Cu的单轴拉伸和压痕的变形过程,分析了纳米孪晶界分布对位错机制的影响.结果表明,梯度纳米孪晶界主导的塑性变形可分为2类,不全位错主导了较厚的孪晶片层的塑性变形,较细孪晶片层的塑性变形由全位错主导.此外,提高孪晶界密度可以有效改善材料的强度和硬度.     

剧烈塑性变形对块体纳米金属材料结构和力学性能的影响

综述了剧烈塑性变形引起的块体纳米金属材料的结构和力学性能演变.以电化学沉积法制备的fcc结构纳米晶Ni-20%Fe(质量分数)合金为研究对象,通过对其进行不同应变量的高压扭转实验,系统分析了变形引起的结构和力学性能演变.结构表征结果表明:(1)变形引发纳米晶Ni-Fe合金晶粒旋转,实现晶粒长大.同时,晶粒长大过程伴随着位错密度、孪晶密度的演变;(2)存在一个最有利于变形孪晶生成的晶粒尺寸范围(45~100 nm),在这个晶粒尺寸范围之外,去孪晶起主导作用使原有的生长孪晶或变形孪晶消失;(3)位错密度是影响位错与孪晶反应的新的影响因素.当发生孪晶的晶粒内位错密度低时,位错可完全穿过孪晶界,部分穿过孪晶界,或被孪晶界吸收;发生孪晶的晶粒内位错密度高时,大量位错缠绕并堆积在孪晶界附近,形成应力集中,破坏孪晶界原有的共格性.为释放局部应力,将从孪晶界的另一侧发射不全位错形成层错和二次孪晶;(4)在塑性变形导致的晶粒长大过程中,原先偏聚于消失了的晶界上的C和S沿残留晶界扩散并继续偏聚于晶界上.结构与力学性能关系结果表明:随着应变量的增加,应变强化、应变软化交替出现.位错密度对硬度的演变起主导作用,其它结构演变(如孪晶密度的变化和晶粒尺寸变化)对硬度的演变起次要作用.     

高压扭转纳米结构Al-Mg铝合金的微观结构演变和位错组态

利用透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）研究高压扭转大塑性变形纳米结构Al-Mg合金的微观结构演变和位错组态。结果表明：对尺寸小于100 nm的晶粒,晶内无位错,其晶界清晰平直;而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由几个亚晶或位错胞结构组成,其局部位错密度高达10^17 m^-2。这些位错是1/2〈110〉型60°位错,且往往以位错偶和位错环的形式出现。在高压扭转Al-Mg合金的超细晶晶粒中,用HRTEM同时观察到分别由0°纯螺型位错和60°混合位错分解产生的Shockley部分位错而形成的微孪晶和层错。这些直接证据证实,通常存在于FCC纳米晶中由晶界发射部分位错而产生孪晶和层错的变形机制,同样可以存在于超细晶FCC金属中。基于实验结果,分析了高压扭转Al-Mg合金中的局部高密度位错、位错胞、非平衡晶界、层错和孪晶等对晶粒细化的作用,提出了相应的晶粒细化机制。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

纳米孪晶Cu中局部剪切应变诱导的退孪生行为

对择优取向纳米孪晶结构Cu样品进行室温轧制变形.微观结构研究发现,当变形压下量为15%时,样品中出现了与轧制方向呈30o~45°方向(最大剪切应力方向)分布的退孪生带.退孪生带中孪晶片层明显粗化,孪晶界上出现大量Shockley位错.塑性变形过程中较小应变时,纳米孪晶Cu中局部退孪生机制是协调局部剪切应变的主要机制.     

孪晶距对纳米钨力学性能影响的分子动力学模拟EI北大核心CSCD

为了研究孪晶间距的大小对纳米钨力学性能及变形机理的影响,利用分子动力学对不同孪晶间距的孪晶钨进行了单轴拉伸模拟。使用近邻列表技术(CNA)和位错分析方法(DXA)对拉伸过程中纳米钨的变形失效过程和微结构演化进行了表征分析,从而揭示孪晶间距对纳米钨力学性能影响微观机理。结果表明:孪晶钨变形过程中出现的相变、孪晶界的变形以及去孪晶化的现象会改变孪晶钨中裂纹的扩展方式,提高孪晶界的变形能力;而随着孪晶间距的减小即孪晶密度的增加,可变形的孪晶界增多,导致纳米孪晶钨的断裂应变增加。由于孪晶界中存在能量较高的相互作用的特殊三原子结构使纳米钨中更容易出现晶体缺陷,缺陷会在拉伸载荷作用下快速形成裂纹,导致晶体断裂失效,严重降低了纳米钨的屈服强度。此外,孪晶界的存在显著降低了几何必须位错的数量同时阻碍了位错的滑移运动,位错难以发射和运动,从而导致塑性变差。     

纳米金属镍的冷轧变形与微结构

在室温条件下对纳米金属镍进行了不同程度的冷轧变形,利用X射线衍射分析和高分辨透射电镜的观察对纳米金属镍的微观结构演变以及塑性变形机制进行了研究。结果表明:形变量ε20%时,晶粒旋转为主要的变形方式;当20%ε30%时,位错活动与晶粒旋转共同协调变形;ε30%时,晶界发射的不全位错,形成变形孪晶与层错,主导变形。     

基于分子动力学的3D打印TiAl纳米多晶合金变形机制及其温度相关性分析

借助透射电镜观察和分子动力学计算,对3D打印Ti-6Al-4V合金的变形行为及其温度相关性进行了系统研究。结果表明,温度在TiAl纳米多晶体变形机制的竞争中起关键作用。当温度低于800 K,平均晶粒尺寸低于8.3 nm的单相TiAl纳米多晶合金首先出现位错运动,且层错保留在晶粒中并形成交错结构。同时,大尺寸晶粒(≥8.3 nm)为位错运动提供了足够的空间,很少在晶粒中形成层错。在双相TiAl+Ti₃Al纳米多晶合金中,层错的交割是低应变(ε<18.0%)TiAl晶粒的主要变形机制,并且Ti₃Al晶粒保持其初始结构。当ε≥18.0%时,Ti₃Al晶粒中的位错开始运动并形成层错交割。当温度高于800 K时,Ti和Al原子处于高能状态,主要的变形机制与具有非晶结构的滑移边界有关。非晶滑移边界及再结晶结构是双相TiAl+Ti₃Al纳米多晶合金组织变形的最重要特征。     

激光冲击铝合金微结构演化及力学行为的分子动力学模拟

目的 揭示激光冲击铝合金的微结构演化过程及塑性变形机制,探究残余应力产生的机理,为激光冲击提升铝合金力学性能提供理论参考。方法 基于分子动力学模拟,采用活塞冲击法实现多晶铝合金(Al-Mg-Zn-Cu)在不同加载速度下的冲击强化。利用共邻分析法和位错提取法,研究铝合金的微结构演化过程、位错分布以及激光冲击影响铝合金力学性能的内在机理。结果 在冲击波加载阶段,当高速冲击波作用时,铝合金出现大量滑移系,产生高密度位错。在保载阶段,位错集中在晶界附近,导致多晶铝合金发生晶界塑性变形。在卸载阶段,不同类型位错之间进行了相互转化。铝合金两端晶粒和晶界的塑性变形,导致了残余压应力的产生。对完全卸载后的铝合金进行单轴拉伸模拟,发现0.7 km/s和1.0 km/s的冲击速度下,残余压应力抵消了部分拉伸应力,变形晶界附近产生新的位错,且晶界发生迁移和合并,导致极限应力分别提升15%和22%。结论 激光冲击对Al-Mg-Zn-Cu铝合金的微结构及力学性能影响显著,在高速冲击波作用下,铝合金两端发生剧烈的塑性变形,导致残余压应力的产生。单轴拉伸时,残余压应力抵消了部分拉伸应力,且铝合金晶粒内发生原子变形产生新的位错,同时晶界发生运动,最终使得极限应力增大,铝合金的力学性能得到提升。     

应变速率对含空洞的镁孪晶界面塑性变形机制的影响

利用嵌入原子势的分子动力学模拟,研究了应变速率对含空洞的镁孪晶界面塑性变形机制的影响。结果表明,塑性变形的主要形式包括不全位错、滑移带和堆垛层错;应变速率不会改变试样的杨氏模量,应变速率愈大屈服应力愈大;随着应变速率增大,位错和滑移带的数量增加,堆垛层错的数目先增加后减小,位错运动自由行程的平均长度减小;随着变形进行,位错源不断产生新位错,导致位错密度提高;高应变速率时,晶界处容易形成应力集中,并会有微裂纹产生。     

The influence of twins on the mechanical properties of nc-Al

The presence of grown-in twins in nanocrystalline-Al is found to enhance plastic deformation via twin-migration in which partial dislocations, emitted at the intersection of the twin boundary and the GB, travel through the entire grain. For samples without grown-in twins, full dislocation activity is observed as the predominant slip mechanism. These results are discussed in terms of generalised planar fault energy curves for the Al potential used in the present work. Simulations of 2D columnar nc networks are also performed to investigate the role of grain and grain-boundary-network dimension on the mechanical properties of nc systems.     

Interactions between non-screw lattice dislocations and coherent twin boundaries in face-centered cubic metals

In a first report [Jin ZH, Gumbsch P, Ma E, Albe K, Lu K, Hahn H, et al. Scripta Mater 2006;54:1163], interactions between screw dislocation and coherent twin boundary (CTB) were studied via molecular dynamics simulations for three face-centered cubic (fcc) metals, Cu, Ni and Al. To complement those preliminary results, purely stress-driven interactions between 60° non-screw lattice dislocation and CTB are considered in this paper. Depending on the material and the applied strain, slip has been observed to interact with the boundary in different ways. If a 60° dislocation is forced by an external stress into a CTB, it dissociates into different partial dislocations gliding into the twin as well as along the twin boundary. A sessile dislocation lock may be generated at the CTB if the transited slip is incomplete. The details of the interaction are controlled by the material-dependent energy barriers for the formation of Shockley partial dislocations from the site where the lattice dislocation impinges upon the boundary.     

固溶-大变形-时效下7085铝合金的强化机理

以固溶—时效和固溶—大变形(压缩、ECAP)—时效加工的7085铝合金为实验对象,分别采用拉伸试验机、X射线衍射仪(XRD)和晶体微区取向分析技术(EBSD)对7085铝合金的拉伸性能、内部的位错密度、单元边界(小角度晶界)和晶粒边界(大角度晶界)进行研究,结合拉伸试验测得的屈服强度,定量计算强化项对不同状态下铝合金的强化贡献。结果表明,相比常规固溶—时效工艺,固溶—大变形—时效工艺加工的7085铝合金的拉伸强度从381.2MPa分别提升到475.6和543.3 MPa;位错强化显著提高,从零分别提高到107.4和180.6 MPa;小角度强化显著提高,从10.4 MPa分别提高到89.1和116.4 MPa。7085铝合金强度提高来源于材料内部的位错和小角度晶界;固溶后的大变形加速了时效,降低了时效沉淀强化。并且发现强烈塑性变形加工(ECAP)的强化效果高于传统塑性变形加工(压缩变形)的效果。     

Dislocation–dislocation and dislocation–twin reactions in nanocrystalline Al by molecular dynamics simulation

We use massively parallel molecular dynamics simulations of polycrystal plasticity to elucidate the intricate dislocation dynamics that evolves during the process of deformation of columnar nanocrystalline Al microstructures of grain size between 30 and 100 nm. We analyze in detail the mechanisms of dislocation–dislocation and dislocation–twin boundary reactions that take place under sufficiently high stress. These reactions are shown to lead to the formation of complex twin networks, i.e. structures of coherent twin boundaries connected by stair-rod dislocations. Consistent with recent experimental observations, these twin networks may cause dislocation pile-ups and thus give rise to strain hardening.     

纳米面心立方金属的变形机制及影响其力学性能的因素

综述了纳米面心立方金属的变形机制随晶粒尺寸的减小而发生的变化,即变形机制由晶界处发射不全位错、形成孪晶转变为晶界滑移、晶粒转动.当变形机制为晶界处发射不全位错、形成孪晶时,存在最佳孪晶形成晶粒尺寸范围,此时的孪晶形核应力最小.另一方面,随着晶粒尺寸的减小,在变形机制发生转变的临界晶粒尺寸附近存在韧-脆断裂方式的转变.提高孪晶密度、在纳米晶材料中加入微米晶相形成双峰晶粒材料可以提高纳米晶材料的塑性,得到更好的综合机械性能.     

Microscopic description of plasticity in computer generated metallic nanophase samples: a comparison between Cu and Ni

Simulations are reported on the plastic behavior of two model f.c.c. metals, Ni and Cu, with different stacking fault energies, and average grain sizes in the range of 3–12 nm. A change in deformation mechanism is observed: at the smallest grain sizes all deformation is accommodated in the grain boundaries. At higher grain sizes intragrain deformation is observed. Analysis of the atomic configurations shows that intrinsic stacking faults are produced by motion of Shockley partial dislocations generated and absorbed in opposite grain boundaries. In Cu the stacking faults are observed at smaller grain sizes than in Ni (8 nm in Cu, 12 nm in Ni) which is attributed to the lower stacking fault energy. Shockley partial dislocations appear on slip systems that are not necessarily those favored by the Schmid factor. Atomic displacement analysis shows that deformation starts at triple points, with grain boundary sliding followed by the creation of intragrain partial dislocations.