密排六方金属中变形孪晶精细结构及孪生行为的透射电镜研究

摘要

以镁、钛及其合金为代表的密排六方金属材料在航天、航空及汽车领域有着越来越广泛的应用。由于缺少足够的滑移系，变形孪晶在该类金属材料室温变形过程中扮演着非常重要的角色，同时也是影响密排六方金属加工、成型性能的主要因素之一。因此，全面、深刻的认识和理解变形孪晶的结构特征、形核和长大机制及变形孪晶与晶体缺陷之间相互作用的微观机理，对于设计、改善与开发性能更为优越的密排六方结构金属材料具有重要的理论和现实意义。
　　本论文以 AZ31镁合金、纯钴和纯钛为研究对象，综合采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等表征技术手段，对这三种典型六方金属材料中变形孪晶的界面精细结构及变形孪晶与晶体缺陷之间的交互作用进行系统研究，并结合经典位错理论对相关晶体学特征及微观组织结构演变规律进行分析和探讨。研究结果表明：
　　①{10-12}拉伸孪晶界面由平行于晶体学上的{10-12}锥面界面({10-12}CTB)和基面-柱面(BP or PB)界面构成。{10-12}变形孪晶尖端界面甚至可以仅由BP和PB界面组成。BP和PB界面上存在台阶状界面缺陷。BP和PB界面的存在使得在低倍条件下观察到的{10-12}变形孪晶界面和晶体学上的{10-12}变形孪晶界面出现偏离，偏离程度取决于{10-12}CTB界面、BP和PB界面的长度和各自所占的比例。{10-12}变形孪晶界面的这种特征并不依赖于具体的材料和变形条件，是{10-12}变形孪晶的一种内在本质特征。
　　②{10-13}压缩孪晶界面由平行于晶体学上的{10-13}锥面界面({10-13}CTB)和基面-{10-11}锥面(BPy or PyB)界面构成。BPy和PyB界面的存在导致在低倍条件下观察到的{10-13}变形孪晶界面和晶体学上的{10-13}变形孪晶界面出现偏离。偏离程度取决于{10-13}CTB界面、BPy和PyB界面的长度和各自所占的比例。同样的界面特征也出现在{10-11}压缩孪晶系统中。
　　③{10-11}压缩孪晶界面和{10-13}压缩孪晶界面可以出现在同一孪生系统中。晶体学上，{10-11}孪晶界面和{10-13}孪晶界面互为共轭孪生剪切面，如果以{10-11}孪晶界面为第一不畸变平面，那么{10-13}孪晶界面便为第二不畸变平面，反之亦然。因此，二者在合适应力条件下可出现在同一孪生系统中。
　　④共[11-20]晶带轴的不同{10-12}孪生变体发生碰撞后，交互作用界面呈现出四种界面结构特征：1)基本平行于两孪生变体中基面的BB型界面；2)基本平行于两孪生变体中柱面的PP型界面；3)基本平行于两孪晶变体中(10-1-2)面的TB14型面；4)由多个高晶面指数界面组成的特殊界面（该界面无简单晶体学取向关系）。在原子尺度上，交互作用界面与{10-12}变形孪晶中的BP或是PB界面直接相连。BP和PB界面上缺陷的相互作用和在后续变形过程中界面位错的重组可能是导致这四种界面形成的主要原因。
　　⑤{10-12}拉伸孪晶和{10-11}压缩孪晶内部均存在着大量的基面层错结构，其中既包括第一种类型的层错（外禀层错）又存在第二种类型的层错（内禀层错）。孪晶内部层错密度要高于基体中的层错密度。层错条纹始终与台阶状孪晶界面相连，或是两端同时连接着孪晶界或是一端连接着孪晶界而另一端终止于孪晶内部。基体中位错与孪晶界的相互作用和后续孪晶界面的迁移可能是诱发孪晶内部层错结构形成的主要原因。
　　⑥实际变形孪晶（包括{10-12}拉伸孪晶、{10-11}压缩孪晶和{10-11}-{10-12}二次孪晶）界面两边的晶格取向差角会偏离理论上的孪晶取向差角值。孪晶取向差角的变化造成孪晶部分和基体部分的理论孪晶面不再平行。变形过程中的位错滑动和材料本身连续性的限制是导致孪晶取向差角值发生变化的主要原因。

目录

1 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 HCP金属在室温下的形变模式

1.3 变形孪晶对材料的影响

1.4 材料、变形条件对变形孪晶的影响

1.5 变形孪晶的形核及长大

1.6 研究内容及章节安排

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方案及材料制备

2.3 部分微观表征方法简介[183, 184]

2.4 本章小结

3 HCP金属中变形孪晶界面精细结构研究

3.1 引言

3.2{10-12}变形孪晶界面形态

3.3 关于BP界面和界面缺陷

3.4{10-12}变形孪晶长大

3.5{10-13}和{10-11}变形孪晶

3.6本章小结

4 HCP金属中变形孪晶间交互作用研究

4.1 引言

4.2{10-12}拉伸孪晶交互作用

4.3 其它类型变形孪晶交互作用

4.4 本章小结

5 HCP金属中变形孪晶内部层错结构及孪晶取向差研究

5.1 引言

5.2 变形孪晶内部层错结构

5.3 变形孪晶取向差角

5.4 本章小结

6 结论与创新点

6.1 研究工作主要结论

6.2 研究工作的创新点

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录