密排六方金属形变孪晶界面精细结构及其缺陷交互作用研究

There ere many reports on the micristructure evolution and mechanical propertied of hexagonal-close-packed (hcp) metals which are very different from that of cubic metals. However, the twin growth mechanisms, the atomic structure of twin boundary and the interaction between the twin interface defects of hcp metals are very lack and not clear. In our research item the interface atomic structure of various twins in hcp metals are systematically studied by using the method of experimental observations. In order to inspect the relationship between dislocation reactions, atomic shuffling and step heights of interface defects (atomic layers), and the influence of shearing magnitude for shearing and shuffling in different kinds of twinn, the dislocation configurations and the step heights of the twin interfacethe as well as the characters and distribution of the interface defcts are examined quantitatively and statistically. We also use topological theory to analyze and calculate the step heights and enery of the interface defects, and combing with decomposition of matrix dislocation and the reactions of twinning dislocations to study the evolution of twin growth. We hope those studies will lead to a deeper understanding on the deformation twinning mechanisms in hcp metals by clearing up some basic problems about the influence of factors on twinning evolution, then provide the theory basis in exploring the processing performance of hcp metals.

hcp金属在力学行为、变形微结构方面与晶体各向同性的立方系金属严重不同，也有很多研究报道，但是关于hcp金属孪生长大机制和孪晶界面精细结构以及界面缺陷交互作用尚不清楚，实验研究非常缺乏。本课题针对hcp金属中各类型孪晶的界面精细结构进行系统实验观察，对位错组态和界面台阶高度进行定量表征和统计分析，考察不同孪晶的界面缺陷性质和台阶分布规律，孪晶位错反应与原子拖曳（shuffle）、和界面台阶高度（原子层数）之间的关系，进而考察孪晶类型不同时在不同孪生面上的剪切量大小对于剪切和拖曳的影响，并利用相场理论分析计算界面台阶高度和缺陷的能量，结合界面处基体位错分解和孪生位错反应特征探讨孪晶生长过程中界面演变规律。以期对hcp金属孪生乃至变形机理有更深的理解。本课题的研究，有助于澄清hcp金属变形过程中所涉及的孪生机制影响因素的一些基本问题，从而为进一步探索提高hcp金属加工性能的途径提供理论依据。

本项目对具有密排六方结构的金属，镁、钛、钴等材料动态塑性变形后的孪生界面的精细结构和孪晶界面与位错的交互作用进行了系统的研究。通过近4年的研究取得了一系列的成果，基本达到了预想研究目的。实验结果表明：六方金属中的孪晶界并不总是平行于理论上的孪晶界面。这种情况不仅仅出现在{10-12}拉伸孪晶中，对于{10-11}、{10-13}压缩孪晶也是如此。通过对孪生界面的高分辨透射电子显微镜观察，发现在原子尺度下实际的孪晶界面并不完全是由平行于理论孪晶界面组成，而是存在一些台阶状的界面结构。结合分子动力学模拟和位错理论，我们提出了具有该种界面的孪晶界的移动方式。传统的孪生位错可使平直的孪晶界面移动，而台阶状的界面的移动也是由其上面相应的位错导致的。通过高分辨透射电子显微镜，我们研究该种界面位错的结构特征。同时，我们发现无论是在{10-12}拉伸孪晶内部还是{10-11}、{10-13}压缩孪晶内部，都存在着高密度的层错。层错的一端总是与孪晶界面相接。在变形过程中，孪晶界可阻碍位错的运动，形成位错塞积，造成局部的高应力状态。该区域可能作为位错源向孪晶内部发射不全位错，导致层错的形成。另一方面，结合位错理论，在具有台阶状结构孪晶界迁移的过程中，也会导致层错的形成。这些研究揭示了变形孪生的界面结构和内部组织的特点，将有助于进一步澄清密排六方金属中变形孪生的形成机制。