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共格与非共格孪晶界面疲劳开裂机制研究新进展

时间:2014-10-10

文章来源:中国科学院金属研究所网

   晶界与孪晶界面对于金属材料的强韧化设计与抗疲劳损伤开裂能力的提高具有重要影响。通常在单向拉伸载荷下,晶界普遍可以作为强化元素提高材料的强度,而在循环载荷下,晶界却容易成为薄弱环节而优先萌生疲劳裂纹。沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部张哲峰研究组前期开展了一系列含有大、小角晶界铜双晶体的低周疲劳实验。他们发现:无论加载方向与晶界的夹角如何,大角晶界总是优先开裂,而小角晶界则不疲劳开裂。这一系列工作发表在Progress in Materials Science, 53 (2008) 1025上。考虑到孪晶界面对金属材料强韧化具有重要影响,为此,张振军博士通过各种铜合金多晶体中孪晶界面低周疲劳实验研究发现:孪晶界疲劳开裂倾向介于大角晶界和小角晶界之间,并且受到层错能和晶粒取向影响。通过晶体学取向分析,他提出了决定孪晶界面疲劳开裂与否的层错能与取向差判据,即随层错能降低或孪晶界两侧施密特因子差增加,位错滑移跨过孪晶界的机会减小,致使得孪晶界更易于萌生疲劳裂纹。这项工作发表在Acta Materialia, 60 (2012) 3113Applied Physics Letters, 101 (2012) 011907上。

  为了进一步揭示各种共格与非共格孪晶界面本征疲劳开裂机制,最近李琳琳博士设计并制备了一系列含有共格与非共格孪晶界面的铜双晶样品,旨在进一步揭示孪晶界面与加载轴夹角对其疲劳开裂机制的影响。结果发现:共格孪晶界与加载轴的夹角对其疲劳开裂行为具有决定性作用:当孪晶界面与应力轴夹角约在45±25度时(约为2070度),滑移带集中在孪晶界附近,而使疲劳裂纹沿孪晶界面优先萌生与扩展,如图1所示;而当孪晶界面近似平行或垂直于与加载轴时,孪晶界附近的滑移带或完全穿过孪晶界(平行时),或因硬取向的缘故在孪晶界附近受限(垂直时),从而使得孪晶界相对滑移带更难于萌生疲劳裂纹。不同倾角孪晶界的疲劳开裂行为,如图2所示。而对于非共格孪晶界,当力轴倾斜于孪晶界面加载时,孪晶界不开裂而滑移带开裂,滑移开裂形貌及位错组态,如图3所示。这是因为在循环加载时,由于非共格孪晶界两侧晶粒特殊的晶体学取向关系,一方面滑移带可以穿过孪晶界,而另一方面孪晶界本身在位错作用下也可以发生迁移,从而减缓了因位错撞击而造成的损伤,因而表现出较强的抗疲劳开裂性能,机理总结如图4所示。上述研究结果发表在Acta Materialia, 61 (2013) 425Scientific Reports, 4 (2014) 3744Nature Communications, 5 (2014) 3536Acta Materialia, 2014上。

  以上关于各种界面疲劳开裂行为的研究结果表明,界面在变形过程中与滑移带的交互作用方式可以归结为两类:撞击型和剪切型。对于撞击型作用,界面是否开裂取决于位错被塞积的程度,界面处位错塞积越严重,界面越弱,反之亦然。撞击型界面包括大角晶界、小角晶界、多晶体中孪晶界以及与力轴成0度和90度的双晶孪晶界。而对于剪切型作用,应变集中则成为了界面的主要损伤机制,上述倾斜孪晶界面容易产生应变集中,因而更容易发生疲劳开裂。因此,与普通大角晶界总是容易萌生疲劳裂纹相比,孪晶界面疲劳开裂与否具有明显的可控性,它取决于与应力轴交角、层错能以及两侧滑移带之间的取向差,这为通过设计和控制孪晶界面来强韧化金属材料和提高其抗疲劳开裂阻力提供了可能。

                                    

与加载轴不同夹角的孪晶界面的疲劳开裂形貌及其附近的位错组态(ab45度;(cd30度;(ef60度。

                                    

2 孪晶界与应力轴呈不同倾角时双晶孪晶界面的疲劳开裂行为:孪晶界与应力轴夹角在45度上下时发生孪晶界开裂,而在0度和90度附近时发生滑移带开裂。

                                   

  图倾斜非共格孪晶界面的疲劳开裂形貌(ab)及位错组态(cd)。

                                    

4 非共格孪晶界的高分辨率像(a)及两种塑性变形机制示意:(b)位错贯穿机制;(c)非共格孪晶界迁移机制。

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