HRTEM原位变形研究:纳米孪晶铜的孪晶阶错迁移动力学


发布时间:

2021-07-23

在面心立方结构(FCC)的金属或合金中,孪晶界可有效阻碍位错运动,使得高密度纳米孪晶的金属或合金兼具优异的强度和塑性。对于FCC的铜而言,其生长/退火孪晶通常为矩形,并包含丰富的非共格孪晶界(Incoherent Twin Boundaries,ITBs)。而变形孪晶通常具有纺锤形,其界面为阶梯形共格孪晶界(Serrated Coherent Twin Boundaries, SCTBs),这种阶梯形共格孪晶界由共格孪晶界和孪晶阶错(Twinning Disconnections, TDs)台阶组成。

在面心立方结构(FCC)的金属或合金中,孪晶界可有效阻碍位错运动,使得高密度纳米孪晶的金属或合金兼具优异的强度和塑性。对于FCC的铜而言,其生长/退火孪晶通常为矩形,并包含丰富的非共格孪晶界(Incoherent Twin Boundaries,ITBs)。而变形孪晶通常具有纺锤形,其界面为阶梯形共格孪晶界(Serrated Coherent Twin Boundaries, SCTBs),这种阶梯形共格孪晶界由共格孪晶界和孪晶阶错(Twinning Disconnections, TDs)台阶组成。变形孪晶的生长是通过孪晶阶错的运动,而孪晶阶错由一个方向的不全位错组成,通常只具有一个原子层高度。因此,孪晶界面的结构差异导致了FCC金属的生长/退火孪晶和变形孪晶从形貌上的明显差异。大量研究报道了上述孪晶界面的形成机制,但相关界面形成的本质性问题仍需要实验佐证。

上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室刘悦研究员、曾小勤教授和内布拉斯加大学林肯分校王健教授等人采用原位HRTEM纳米压缩技术,在FCC铜的共格孪晶界上施加特定方向的剪切力,研究了纳米孪晶铜在原位压缩过程中界面迁移的过程。分析了特定剪切力作用下孪晶界面的迁移机制,从界面结构和形成机制上解释生长/退火孪晶和变形孪晶形貌差异的本质原因。研究人员发现:剪切应力作用下诱发的孪晶阶错与生长/退火过程自发产生的ITB结构形成机制不同。在特定方向的剪切力作用下可产生孪晶阶错,孪晶阶错可由于交互行为扩展为两层原子的孪晶阶错,但两层原子的孪晶阶错更可能发生分解而不是继续扩展为ITB结构。相关研究成果以"Migration kinetics of twinning disconnections in nanotwinned Cu: An in situ HRTEM deformation study"为题发表在金属领域权威期刊《Scripta Materialia》上。上交大博士生李全为第一作者,宋健为第二作者,刘悦研究员和曾小勤教授为通讯作者。

原位链接:https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.11.006

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Fig.1 文章中研究的FCC铜孪晶的微观结构

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Fig.2 一层原子孪晶阶错(Twinning Disconnections, TDs)台阶的产生和迁移过程

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Fig.3 实验过程

原位实验中,FCC铜搭载在泽攸科技PicoFemto®原位双倾样品杆的载样端,样品对面的三维纳米机械手可以准确对样品施加压力和剪切力。值得一提的是,即使原位加载过程中也可以清晰观察到样品的高分辨视频。

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Fig.4 实验中用到的泽攸科技PicoFemto®原位双倾样品杆