超声诱发粗晶纯铝细丝塑性孪晶变形机理的透射电镜研究

孪晶和滑移是材料两种基本形变机制。传统理论一直认为高层错能面心立方金属纯铝不能发生孪晶形变。然而，2002年在《Nature Materials》上理论预测，由于晶界体积分数急剧增多，纳米晶纯铝可能发生孪晶形变；次年，在《Science》上首次试验观察到在纳米晶纯铝内的形变孪晶，这一发现完全颠覆了人们对材料形变机制的认识。随后只有在粗晶纯铝裂纹尖端区原位拉伸时发现小尺度形变孪晶，但是应力松弛后形变孪晶完全消失，无法保持至变形以后。形变孪晶可以提高材料的导电性、强度、延展性等物理性能，互连接头内引入孪晶结构无疑是互连材料结构设计和塑性成形的极佳方法。在超声微米细丝键合研究中，申请人发现超声引起变形后粗晶铝细丝晶粒细化，甚至观察到形变孪晶。因此，本项目拟采用透射电镜观察分析功率超声作用下粗晶纯铝细丝的孪晶变形行为，系统研究超声频率对形变过程的作用规律，提出室温下粗晶纯铝孪晶变形新机制。

微细、薄小的金属丝/膜等在固相键合连接中，往往通过施加外部能量使其发生塑性变形，进而实现接头界面的冶金接合。孪生和滑移是晶态材料的两种基本变形机制。本课题主要探讨了高层错能面心立方金属粗晶纯铝通过功率超声诱发塑性变形过程的变形行为、显微组织及织构演变规律、力学性能和变形机理。深入研究了不同超声工艺参数作用后的基体组织、织构，测试了不同变形程度粗晶纯铝的显微硬度、拉伸性能，发现了功率超声诱发粗晶纯铝形变微层错/孪晶的现象，讨论了粗晶纯铝超声诱发塑性变形的发生机制。试验结果表明：超声致粗晶纯铝塑性变形过程中，组织得到了不同程度的细化，从原始样品的平均晶粒40μm细化到平均晶粒几个微米，晶粒内部的亚晶可小至纳米尺度，上述亚结构内存在大量的层错（SFs），并且这些层错呈或者互相平行或者成某一特定角度（70度，接近{111}晶面的二面角）的分布特征，发现了1-2个原子层厚的变形微孪晶的存在。超声振幅和超声作用时间对基体的组织及织构影响相对较弱，变形程度对组织和织构影响最大。随着变形程度的增加，晶粒细化、取向差变化明显，当变形量达到50%时，基体在超声作用下出现明显的动态回复和再结晶现象，从而使变形织构含量增速降低，再结晶织构含量减速降低甚至小幅回升。随着变形量的增加，显微硬度呈现先上升、后下降的演变规律，在变相量为30%左右达到峰值；拉伸强度也有类似的变化规律。本课题所获结果加深了晶态材料塑性变形机制的认识水平，有利于指导控制并优化固相键合接头尤其是基体材料的性能。