纯铝中可逆形变孪晶机理研究

原位拉伸过程中纯铝裂纹尖端形变孪晶生长及退孪晶过程的系列高分辨像。孪晶界轮廓用虚线表示，L1－L7为孪晶界上肖克莱位错台阶。TD 左图(a-c)为L1－L4位错台阶向前移动的孪晶生长过程。右图(a-d)为L5－L7位错台阶移动回裂尖直至孪晶完全消失的退孪晶过程。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室近期在纯铝的可逆变形孪晶机理研究方面取得重要进展。固体原子像研究部博士生李白清在导师隋曼龄研究员和美国匹兹堡大学毛星原教授的指导下，通过原位拉伸高分辨电镜观察研究发现：粗晶纯铝不仅在高应力作用下能够产生形变孪晶，而且其形变孪晶是可逆的，伴随着自发的退孪晶过程。在美国约翰霍普金斯大学马恩教授研究组的帮助下，用分子动力学模拟进一步证实了纯铝中自发的退孪晶过程。研究表明，发生自发退孪晶的原因可归结于纯铝具有高的层错能和对肖克莱不全位错运动较低的阻力。这类自发的可逆变形孪晶可能成为高层错能金属形变过程中普遍存在的一种新机制。该研究结果已于5月20日由《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表。对于许多金属而言，孪晶过程通常是不可逆的，因而形变孪晶成为一种重要的塑性形变机制。但是，对于具有高层错能的纯铝来说，传统观点认为是不产生形变孪晶的。2003年Chen等在Science上报道了在纳米晶铝中产生了形变孪晶。他们认为，形变孪晶的产生与纳米晶粒尺寸有直接关系。随着晶粒尺寸减小到几十纳米，形变机制由全位错滑移机制向不全位错主导的机制转变，从而在纳米晶铝中可以观察到形变孪晶和层错。那么，在普通纯铝中，是否真的不能产生形变孪晶？或者是可以产生形变孪晶但却很少被观察到？由于目前尚缺乏令人信服的实验证据，因而一直无法回答这些基本问题。该论文作者采用在高分辨透射电子显微镜下原位拉伸的实验方法，研究了室温下普通纯铝在裂纹尖端高应力状态作用下的形变行为。在原子尺度上原位观察到纯铝中形变孪晶的产生及回复的整个动态过程。实时观察发现：在加载状态下，形变孪晶的生长是通过孪晶界上的肖克莱位错台阶向前推移（即孪晶界迁移）实现的；在应力松弛过程中，孪晶停止生长，继而自发地发生退孪晶现象，直至形变孪晶完全消失。原位高分辨透射电镜观察和分子动力学计算模拟结果均表明，退孪晶过程由两个阶段组成。首先是，孪晶界台阶处的肖克莱位错在表面镜像力的作用下，克服位错运动阻力向后移动，孪晶界迁移使孪晶片层变薄；然后是，在镜像力和消除高能态孪晶界面驱动力的共同作用下，整个孪晶片层快速完全消失。由于铝的层错能很高，形变孪晶的形核尺寸相对较小，不仅表面镜像力的作用显著，而且在粗晶材料中不易被晶界和位错钉扎，从而容易实现形变孪晶的完全回复。所以，与纳米晶铝中晶界阻碍了形变孪晶的自发退孪晶过程不同，人们很难在变形后的普通纯铝中观察到这种形变孪晶。纯铝中这种自发退孪晶现象的发现，丰富了人们对高层错能金属形变机制的认识。此项工作得到中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金和国家“九七三”项目的资助。（来源：中国科学院金属研究所）