晶界附近位错的三维结构测量及晶界界面强度估算

对块体材料内部，晶界与位错相互作用的实验观测一直是一个研究难点。为此，本项目提出一种新的实验方法，立体的重现微晶界处位错密度分布的三维结构。此方法利用压痕实验在微区域内增生大量位错的特点，采用取向识别显微镜（OIM）和精细机械抛光相结合的方法，以较高的精度构建出晶界处的三维位错分布；由晶界两侧的位错密度分布的差异，用离散位错模拟计算出微晶界承受的最大应力，作为界面强度下限的估算。并重点研究晶界处位错三维分布与深度、晶粒大小、取向间的关系，微晶界界面强度与材料强度、位错运动规律间的关系，揭示其内在机理。方法创新性地集中了众多现有实验研究方法的优势，对微晶界的性能及位错的运动规律做出合理的定量描述。并不同于一般的界面强度测量方法，从纯微观的角度入手，为界面强度的测量提供全新的思路。显然，本项目不仅在实验技术方法上做出大胆的创新，而且实验结果可为多晶材微结构的深入研究提供坚实依据。

金属材料的力学性能与其微观结构直接相关，包括晶粒尺寸、晶粒取向和晶界缺陷等众多因素。而各个因素之间又是互相关联的。如著名的Hall-Petch关系描述了材料的屈服强度与晶粒尺寸（微尺寸约束）间的定量关系：Sigma1=Sigma0+K*d^(-0.5) ，式中K为常数，d 为平均晶粒大小，n 约为0.5。当d 降到亚微米量级时，金属材料的强度、塑性及韧性都能得到显著改善。而其增韧的机理却是源自于晶界对位错运动的阻碍作用。并且当晶粒尺寸减小到纳米量级时，晶界自身的运动取代位错运动成为塑性变形主要来源，则表现出反HP效应。.本项目通过对单晶及多晶铜的压痕实验来对这些因素做系统地研究。通过单晶材料排除晶界和晶粒尺寸的影响，单看晶粒取向地影响。然后过渡到相应的多晶材料，进一步研究晶粒尺寸的影响。通过对压痕印附近的三维位错分布结构的还原，进一步分离出晶界在这其中的关键性作用。.在项目的执行过程中获得了重要的数据和结论。我们发现取向对单晶材料的力学性能的影响是与压入深度相关的。这一点对弹性性能和塑性性能都是一样的。随着压入深度增加，累积塑性应变也在增加，同时不同取向的弹性模量的差别在不断减少，直至完全相关。同样的，不同取向的硬度差也随着压入深度地增加而不断减小。已有的解释这一现象的基于应变梯度的模型只有某一个深度范围内符合实验所得。而对相应的多晶铜的压痕实验可发现，首先压痕尺寸效应的剧烈程度并非是恒定的，对材料的不同处理，或者说是微观结构的不同会不同程度的影响到尺寸效应。为更清楚的说明，引入了平均位错自由程的概念。分析了平均位错自由程在压痕尺寸效应中的重要作用。对压痕印附近三维位错分布的还原则更为形象的看到了位错与晶界间的相互作用。各位类型的相互作用都可以清晰的看到，包括晶界处的阻塞、穿透、变向、滑移、攀移等。不同的现象对应着不同的作用机理。.以上实验现象和结论都是由项目负责人首次提出，此前并无类似的研究结果出现。可认为，本项目的研究成果是从基础上进一步对金属材料的变形机理的认识。为金属材料的增韧和改性提供了极重要的实验和理论依据。.