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    孿晶界面疲勞開裂機制研究取得新進展
     
    2022-09-13 | 文章來源:材料使役行為研究部        【 】【打印】【關閉

      晶界在金屬晶體材料中分布廣泛,對金屬材料各項力學性能具有重要影響,其中晶界可以強化材料,但界面處應力集中會導致疲勞損傷開裂。1984年日本東北大學Watanabe教授提出晶界設計(GBD: Grain-boundary Design)和晶界工程(GBE: Grain-boundary Engineering)的概念,希望通過在延性多晶體中引入性能好的界面來提高材料的綜合性能,這為通過調控晶界類型和分布來設計高性能材料提供了新的思路。 

      為了揭示各種不同晶界對金屬材料疲勞損傷機制的影響,中國科學院金屬研究所張哲峰研究員團隊前期借助于銅雙晶體對各種大角晶界和小角晶界疲勞開裂機制進行了系統研究(Zhang ZF and Wang ZG, Prog. Mater. Sci. 53 (2008) 1025-1099)。鑒于孿晶界面與位錯交互作用的特殊性,孿晶界面是否具有較高的疲勞抗力值得期待。然而,由于含有孿晶界面大塊樣品制備困難,對孿晶界面疲勞開裂機制的認識十分有限。過去十余年,張哲峰團隊設計和制備了含有不同生長孿晶界面大塊銅雙晶體,同時,開展了大量含有退火孿晶界面銅及銅合金多晶體的疲勞研究。近期,孿晶界面疲勞損傷開裂機制的研究進展受邀發表在材料科學綜述刊物Progress in Materials Science上,其中李琳琳為論文第一作者,張振軍項目研究員和張哲峰研究員為論文通訊作者。本文對孿晶界面疲勞開裂機制的新認識如下: 

      雙晶共格孿晶界面疲勞開裂機制:共格孿晶界面與加載軸的夾角決定了兩側晶粒內開動的主滑移系,對其界面疲勞損傷機制起決定性作用。當共格孿晶界面與加載軸成20°-70°時,受附加應力及特殊位錯滑移的影響,滑移帶易于集中在共格孿晶界面附近,因而疲勞裂紋優先沿共格孿晶界面萌生和擴展(如圖1II-IV)所示);而當共格孿晶界面近似平行或垂直于加載軸時,滑移帶或完全穿過共格孿晶界面,或因取向較硬受限與界面附近,塑性變形主要集中于晶內滑移帶處,使滑移帶優先萌生疲勞裂紋(如圖1(I)、(V)所示)。 

      雙晶非共格孿晶界面疲勞開裂機制:非共格孿晶界疲勞開裂也表現出一定的取向性,當非共格孿晶界垂直于加載軸時(圖2(a,b)),孿晶界面兩側晶粒內位錯滑移方向相同但滑移面相交,位錯易于在非共格孿晶界處塞積而優先疲勞開裂;當非共格孿晶界平行或傾斜于加載軸一定角度時(圖2(c,d)),界面兩側位錯滑移可以穿過非共格孿晶界,并且非共格孿晶界面自身可發生遷移,因而非共格孿晶界處應變相容性較好,此時,滑移帶優先發生疲勞開裂。 

      多晶體孿晶界面疲勞開裂機制:多晶體疲勞過程中孿晶界附近應力狀態復雜,與雙晶中孿晶開裂稍有不同。團隊利用原創的晶體滑移形貌定取向方法,對不同成分或層錯能的銅合金多晶體中孿晶界疲勞開裂行為進行了系統研究,結果發現:銅合金的層錯能越低,孿晶界兩側的取向差越大,位錯越容易在孿晶界處產生塞積,因而孿晶界越容易疲勞開裂,反之,則是滑移帶更容易疲勞開裂。通過提煉晶體取向Schmid因子差和合金層錯能,結合位錯塞積理論,建立了層錯能和取向為參數的孿晶界面疲勞開裂定量判據(圖3)。 

      結合對大、小角晶界疲勞開裂行為的前期研究結果,可以給出各種不同晶界疲勞開裂阻力從大到小順序為:小角晶界>孿晶界>大角晶界,其中孿晶界面疲勞開裂阻力取決于兩側晶體取向差和合金層錯能大小。當孿晶界面對兩側位錯運動阻礙較強時,會對材料產生明顯的強化作用,孿晶界面容易發生疲勞開裂,因此接近于大角晶界特征;當孿晶界面對兩側位錯運動阻礙較小時,孿晶界面不容易發生疲勞開裂,但對材料也幾乎不產生強化作用,因此與小角晶界作用相似(圖4)。 

      上述研究工作得到了國家自然科學基金重大、杰青、重點和面上項目的長期資助(50571104、50625103、50890173、51171194、51471170、51501197)以及中國科學院青年促進會(2021192)項目及教育部科研業務費的資助。 

      全文鏈接

    圖1 銅雙晶體共格孿晶界與加載軸呈不同傾角時對應的疲勞損傷機制。

      圖2 銅雙晶體中非共格孿晶界與加載軸呈不同傾角時疲勞損傷行為。界面垂直于加載軸時(a) 界面疲勞裂紋與(b)主滑移系;界面傾斜一定角度時(c)主滑移系與(d)滑移帶裂紋。

    圖3 層錯能和晶體取向對銅合金多晶體滑移帶與孿晶界疲勞開裂轉變機制的協同影響。

      圖4 大角晶界、孿晶界、小角晶界低周疲勞損傷開裂難易程度比較。

     

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