JMST:武汉大学利用原位透射电镜技术揭示体心立方铁中变形孪晶调制塑性变形的强尺寸效应


发布时间:

2022-12-26

随着器件尺度的小型化和高度集成化,对纳米尺度铁基金属材料的力学性能研究,探究它们的微观变形机制很有必要。与位错滑移相比,孪生是一种典型的具有位移特性的应变能弛豫方式,由此也产生了不少有趣的现象,比如:超塑性和伪弹性。在密排六方金属(HCP)、面心立方金属(FCC)中变形孪生机制被研究的很充分了,但是体心立方金属的变形孪生研究就相对较少,其中的一些微观变形机制尚且模棱两可。

随着器件尺度的小型化和高度集成化,对纳米尺度铁基金属材料的力学性能研究,探究它们的微观变形机制很有必要。与位错滑移相比,孪生是一种典型的具有位移特性的应变能弛豫方式,由此也产生了不少有趣的现象,比如:超塑性和伪弹性。在密排六方金属(HCP)、面心立方金属(FCC)中变形孪生机制被研究的很充分了,但是体心立方金属的变形孪生研究就相对较少,其中的一些微观变形机制尚且模棱两可。

变形孪生是纳米尺度体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)金属塑性耗散过程的一种重要模式,但其起源和时空特征一直不太清楚。理论上已经有人预测,位错和孪晶的相互作用机制是受材料尺度影响的。近日,武汉大学研究人员利用透射电镜原位拉伸实验,报道了体心立方金属铁纳米线中,尺寸效应对孪生行为和孪晶界-位错相互作用机制的调节作用。他们发现,铁纳米线存在一个临界直径(d)--大约2.5 nm,在小于这个尺度时,塑性变形的主要载体是位错滑移,超过这个临界直径,塑性主要由变形孪晶而不是位错滑移决定。比如在拉伸直径约为9 nm的铁纳米线时,最初阶段纳米线会经历弹性变形,随后有孪晶形核长大逐步扩展到整个纳米线。此外,对直径小于17 nm和直径大于17 nm的铁纳米线的原位研究,他们还发现了两种不同的孪晶相关变形机制,包括孪晶变体重新定向(twin variant re-orientation)和孪晶界断裂(TB cracking),前者是孪晶和位错的交互作用结果,后者是孪晶和孪晶相互作用的结果。进一步的分子动力学和静力学模拟揭示了尺寸依赖塑性变形的基本机制,这在以前的实验研究中很大程度上被忽视了。该研究结果强调了晶粒尺寸在调节纳米尺度铁变形行为中的重要性,为探索具有最佳力学性能的单晶和多晶铁基材料(如钢)提供了可能的指导。

相关研究成果以“Strong size effect on deformation twin-mediated plasticity in body-centered-cubic iron”为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。武汉大学赵立功和陈国旭佳为论文的共同第一作者,王建波教授、郑赫教授为论文的通讯作者。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022200857X?via%3Dihub

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Fig. 1超小尺度铁纳米线(d < 2.5 nm)全位错调制的塑性变形机制研究

Full dislocation-mediated plastic deformation in ultrasmall-sized Fe NW  

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Fig. 2 1/12<111>部分位错调制的孪生(Twinning)和去孪生(Detwinning)过程观察

Twinning and detwinning processes of Fe NW 

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Fig. 3 孪生调制的晶格重新定向

Twinning-mediated lattice re-orientation in Fe NW (d ~9 nm)

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Fig. 4 稍大尺寸铁纳米线(d~18 nm)孪晶界处的断裂研究

TB cracking in Fe NW (d ~18 nm)

在该研究成果中:研究人员以小尺度的铁纳米线作为研究对象,系统研究了拉伸作用下不同尺寸对铁纳米线拉伸塑性变形机制的影响。他们发现存在一个临界尺寸(d~2.5 nm),在特别小的尺寸下(d < 2.5 nm),位错滑移占主导地位,而在这个临界尺寸以上(2.5 nm-35 nm),变形孪生机制在铁纳米线的塑性变形中占主导地位。此外尺寸从d < 17 nm增加到d > 17 nm时,拉伸作用下孪生纳米线会经历孪晶重新定向(re- orientation)--孪晶界断裂(TB cracking)的变化。进一步的模拟和理论分析揭示了尺寸效应对变形机制影响的起源。该工作为纳米尺度体心立方(BCC)金属的变形机制研究提供了原子尺度证据,为铁基材料的强度、延展性优化等提供了参考。  

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图 本项研究中利用泽攸科技(ZEPTOOLS)的PicoFemto®系列原位TEM-STM样品杆搭建了原位测试环境。  

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图 实验方法