面心立方金属晶体疲劳位错结构的热稳定性研究

本项目拟采用不同取向铜单晶体、铜双晶体、不同Al含量的Cu-Al合金单晶体及含退火孪晶的Al6XN超级奥氏体不锈钢等面心立方(fcc)金属晶体作为研究材料，在一定的塑性应变幅范围内对其进行循环变形试验，在不同累积塑性应变量下得到它们各自不同的循环饱和(或准饱和)位错结构，然后在不同温度和时间条件下对疲劳变形后的样品进行退火处理，再利用扫描电镜电子通道衬度(SEM-ECC)技术和透射电镜(TEM)观察疲劳位错结构以及退火后位错结构的变化，进而考察累积塑性应变量、层错能、晶界、孪晶等对疲劳位错结构热稳定性的影响规律。另外，根据上述实验结果选择某些典型样品，考察金属晶体疲劳位错结构经退火处理发生变化后对材料疲劳寿命的影响。本工作对全面深入认识fcc金属晶体疲劳位错结构热稳定性以及完善低能位错结构理论具有重要的理论意义，并且有望为疲劳损伤后的材料回复（即材料的延寿）提供一些有用的理论和实验依据。

本项目采用了不同取向铜单晶体、不同Al含量的Cu-Al合金单多晶体（包括纯铝）以及Al6XN超级奥氏体不锈钢等面心立方(FCC)金属晶体作为研究材料，在不同应变幅控制条件下系统研究了它们的疲劳位错结构特征及其在不同温度下退火后的变化（即热稳定性），揭示了晶体取向、层错能、退火温度、应变幅、累积应变量等对不同疲劳位错结构热稳定性的影响规律。得到以下主要创新性研究结果：(1) 对不同塑性应变幅下循环变形后的不同取向铜单晶进行不同温度下的等时退火处理发现，当退火温度为300oC时，位错结构大都发生了明显回复（对于共面双滑移取向晶体甚至发生部分再结晶），当温度高于500oC，均观察到再结晶的发生以及退火孪晶的形成。再结晶的形核方式为亚晶转动聚合形核；(2) 高层错能粗晶纯铝疲劳后再在相对较低的温度200℃退火处理后，低应变幅下疲劳后的样品的回复机制主要为空位的消失和异号位错的对消，而在中、高应变幅下疲劳后的样品，存在多边形化回复机制。但均未发现明显再结晶现象的出现和孪晶的形成；(3) 低层错能Cu-16at.%Al合金疲劳后形成的平面滑移型位错具有更高的热稳定性。高应变幅高累积应变量的疲劳样品，在低温300oC退火时发生了明显的回复现象，而且出现了大量细小的回复孪晶，当退火温度太高时，没有孪晶形成；(4) AL6XN不锈钢在拉-压或扭转循环载荷下形成的平面滑移位错结构的热稳定性远高于波状滑移位错结构的。在扭转疲劳变形中，高的外加塑性切应变幅使材料更趋于发生塑性变形集中，而更高的形变储存能则为发生再结晶提供了足够的驱动力，从而导致疲劳变形后材料在足够高的退火温度下会在局部塑性变形集中区（如晶界附近）发生再结晶现象。一般认为，FCC材料在循环变形中形成的位错结构为具有较高热稳定性的低能位错结构，但本项目研究表明，在足够高的外加塑性应变幅以及累积塑性应变量的条件下，循环变形形成的位错结构（即使是低层错能引起的平面滑移型位错结构）的热稳定性会显著降低，甚至发生再结晶现象，这种现象尚未见诸报道。上述结果对全面深入认识FCC金属晶体疲劳位错结构热稳定性以及完善低能位错结构理论具有重要的理论意义。基于项目研究，发表SCI检索文章12篇，参加学术会议13人次，做邀请报告3次，培养博士生2名、硕士生6名。较好地执行并完成了项目的研究计划。