密排六方金属孪晶和位错交互作用机制的原位高分辨电子显微学研究

Because of the complication of dislocation slip system and twinning system in metallic materials with a hexagonal close packed (HCP) structure, most researches on the deformation mechanism at atomic scale of HCP metallic materials were carried by molecular dynamic (MD) simulations. Up to now, it is still lack for the experimental observations at atomic scale on the deformation process of HCP metallic materials and lack for the experimental verification of the MD simulation results. In this proposal, we plan to study the deformation mechanism of Mg and Mg alloys and Ti, which are of typical HCP structures with different slip plans as the primary slip systems, by assembling high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) with in situ loading (tensile or compression) together. We will carry out the in situ HRTEM observations comprehensively on the initiation of slip systems, deformation twinning, and the reaction of dislocations and twins under different loading conditions. The effects of load mode, crystal orientation, grain size, and alloying element on dislocations and twins will be systematically recorded and analyzed. The correlation between these effects and the overall mechanical behavior of the HCP materials will be disclosed. These observations and researches will help us to understand well about the interreactions between dislocations and twins during deformation in HCP metallic materials, and to find out the deformation mechanism in HCP metals. The accomplishment of this proposal will benefit the high performance material design and the development of the HCP metallic materials with advanced mechanical properties.

由于密排六方(HCP)金属材料中位错滑移和孪生方式的复杂性,在原子尺度上对HCP金属塑性形变机理的研究目前主要来自于分子动力学计算模拟,尚缺乏对HCP金属变形过程在原子尺度上的实时动态实验观测和对计算模拟结果的实验验证。本项目拟将高分辨透射电子显微术和原位加载(拉伸和压缩)技术相结合，对以基面滑移为主的镁及镁合金和以柱面滑移为主的钛为代表的HCP结构的金属材料,在不同加载条件下滑移系开动、形变孪晶产生、位错与孪晶相互作用等过程在原子尺度上进行原位观察研究。将加载方式、晶体取向、晶粒尺寸、固溶合金元素等因素与滑移位错(包括层错)开动和各种孪生形成进行系统地关联和对比研究。以期在原子尺度上深入认识位错与孪生的交互作用机制,揭示HCP金属塑性变形机理。本研究结果将为设计和开发室温塑性好的高性能HCP轻质合金提供有效的理论指导。

由于密排六方（HCP）金属材料塑性变形有位错滑移和孪生共同参与的复杂性，相关塑性变形机理的研究尚缺乏在原子尺度分辨率下系统深入的实验观察。本项目将SEM/TEM/HRTEM 和原位加载技术相结合，对c/a 轴比值不同的HCP 金属的力学行为进行离位和原位动态结构表征。在纳米及原子尺度上观察研究了以基面滑移为主的镁及镁合金和以柱面滑移为主的-钛，在不同加载条件下的滑移系开动、形变孪晶及相变的产生、以及形变结构之间交互作用等过程，揭示了HCP金属塑性变形机理，为设计和开发室温塑性好的高性能HCP轻质合金提供有效的理论指导。.主要研究结果如下：（1）针对HCP金属因滑移面与柏氏矢量有多种可能的组合而使得滑移系难以确定的难点，将TEM双束和弱束成像技术与SEM-EBSD技术相结合，发展出在原位透射电镜拉伸变形过程中确定位错滑移系的方法，为研究HCP结构微纳尺寸样品中复杂的位错变形机制，获得位错滑移的应力响应规律，提供了一种很有效的方法。（2）在原子尺度上发现了形变诱导HCP-Ti到FCT-Ti和FCC-Ti的多种相变板条结构及变体特征，并分别揭示了相应的相变机制。（3）在原子尺度上观察到小角晶界促进孪晶形核实验结果，不仅有容易形成{101 ̅2}孪晶，也有本来只在动态塑性变形中才形成的{112 ̅4}孪晶。（4）在原子尺度上研究了镁合金{101 ̅1}压缩孪晶的形态，揭示了{101 ̅1}孪晶中高密度层错的形成机理及其与动态再结晶的关联性，对提高镁合金综合力学性能具有重要的意义。（5）研究发现镁合金中{101 ̅5}孪晶等一些高指数孪晶是由“{101 ̅1}孪晶-位错滑移偏转-{101 ̅2}二次孪晶”三个塑性变形阶段产生的，而不是通过传统的孪生模式形成的。（6）对比研究了变形结构之间的交互作用。包括HCP钛中位错之间的交互作用、孪晶与FCT和FCC钛的交互作用；在镁合金中孪晶之间、孪晶与扭着带之间的交互作用。（7）发现在室温和液氮温度下AZ31镁合金的变形过程会导致Zn溶质原子偏析的现象，对镁合金在实际应用中加工条件与性能控制有实际指导意义。