面心立方金属孪晶界面疲劳损伤机制研究

以含有退火孪晶界面的纯铜、铜锌与铜铝合金多晶体、含有生长孪晶界面的纯铜与铜铝合金双晶体为研究对象，对上述样品进行应力或应变控制拉-压循环变形实验，分别研究退火孪晶界面与生长孪晶界面对循环变形行为和疲劳裂纹萌生的影响；采用扫描电镜和透射电镜观察循环变形过程中微观变形特征，如滑移带、位错与普通晶界面、不同孪晶界面之间的交互作用及微观损伤过程；（1）揭示退火孪晶界面与生长孪晶界面的疲劳开裂机制；（2）揭示孪晶界面与滑移带、普通晶界萌生疲劳裂纹微观机制的异同；（3）建立层错能和孪晶界面两侧晶体取向因子与孪晶界面疲劳开裂的定量关系；为探索晶体结构材料的界面疲劳损伤机制、界面工程优化设计和强韧化途径提供实验证据和理论基础。

晶界是晶体材料中广泛存在的一种面缺陷，对材料的各项力学性能起着举足轻重的作用。晶界的类型多种多样，常见的如小角晶界、大角晶界以及孪晶界等，它们与晶内的位错存在不同方式的交互作用。比如大角晶界能够阻碍位错滑移，该阻碍作用导致大角晶界在循环变形过程中总是优先萌生疲劳裂纹的位置。相比之下，易于被位错滑移穿过的小角晶界则不会发生疲劳开裂。对孪晶界而言，两侧晶粒的特殊取向关系导致孪晶界面与位错的交互作用方式的多样性：位错可以穿过也可以塞积在孪晶界处，还可以沿着孪晶界面滑动。目前，孪晶界对材料力学性能的影响是材料研究领域的重要和热点问题。因而，揭示孪晶界的疲劳开裂机制可以为设计材料优异界面结构、改善材料疲劳性能提供实验证据和理论基础。. 2012-2015年基金课题主要以含有共格、非共格孪晶界以及大角晶界的一系列铜双晶为对象，研究了加载轴方向、晶界类型等因素对晶界疲劳开裂行为的影响以及晶界在微尺度下的强化作用。主要研究结果如下：一、首次研究了共格孪晶界与加载轴的夹角对孪晶界疲劳开裂行为的影响机理：当夹角在45度附近时，孪晶界极易疲劳开裂；当夹角接近0度或90度时，孪晶界不开裂。阐明了共格孪晶界的疲劳开裂行为的可调节性。二、首次研究了非共格孪晶界的疲劳开裂行为：当非共格孪晶界倾斜于加载轴时，孪晶界不开裂。分析发现，非共格孪晶界是唯一能实现共面、共向滑移，从而抵抗疲劳损伤的独特界面。三、发现了在微尺度下大角晶界的台阶式硬化机制，这是由于有限尺度内，位错滑移受到晶界阻碍所致。此外，本课题对{111}普通大角晶界的疲劳开裂行为进行研究发现，与以往普通大角晶界的撞击型开裂不同，两侧滑移带的剪切作用也会导致晶界的疲劳开裂。以上实验结果不仅有助于人们全面和深入认识材料变形与损伤的界面效应，也为设计优异的界面结构以实现材料性能的提高提供了理论参考与指导。