镁合金中位错与孪晶界反应的原子分辨率电子显微学研究

【摘要】：滑移和孪生是镁合金中两类重要的塑性变形方式。基面a滑移由于临界分切应力最小,易开动,但只能提供2个独立滑移系;c+a滑移不仅可以提供5个独立滑移系,而且可以协调镁合金c轴应变,但通常在镁合金塑性变形后期阶段,相对较大流变应力作用下开动;孪生也可协调镁合金c轴应变,并且可改变基面取向促进孪晶内基面滑移。然而,孪晶界可作为位错滑移的障碍物,是位错塞积、局部应力集中和微裂纹形核的潜在位置,可能造成镁合金过早断裂失效。通过对变形镁合金中的位错滑移、孪生、位错与孪晶界的反应,及孪晶界原子构型演变等机理的研究,有助于加深对孪晶界上塑性弛豫机制、镁合金塑性变形和断裂行为的认识。本论文主要利用像差校正扫描透射电子显微术和界面缺陷理论分析,通过对Mg-9.0Gd-3.0Y(wt.%)合金在多向锻造过程中产生的位错、孪晶界和晶界等晶体缺陷的精细表征和分析,研究了合金中位错与孪晶界的交互作用和反应、位错与接近孪晶取向的对称倾侧晶界的反应,及界面结构演变机理等内容,同时探讨了它们对材料塑性变形和力学性能的影响。离散的基面a60位错与{1012}孪晶界的反应在孪晶界上可产生含有残余位错的台阶和若干孪生位错;单一的a60位错与{1011}孪晶界的反应也会在孪晶界上产生含有残余位错的台阶,但仅可释放一个两层的孪生位错。孪生位错可沿孪晶界滑移,驱动孪晶界迁移。来自{1011}孪晶界一侧的基面a60位错与从另一侧来的基面a60或c+as位错在孪晶界上反应,或来自{1011}孪晶界一侧的基面a60或c+as位错在孪晶界上分解,都可产生含有b±1/±1型残余位错的一层台阶。由基面a60位错构成的小角晶界与{1012}、{1011}孪晶界的反应可产生含有大量凸起的BP/PB界面或含有台阶的非对称倾侧晶界。BP/PB界面既可通过BP/PB凸起两侧的台阶发射孪生位错,也可与基面a60位错反应释放孪生位错,促进界面迁移。在镁合金塑性变形过程中,位错与{1012}孪晶界的反应导致孪晶界失去共格特征,可能促进孪晶界迁移。这是因为大量BP/PB凸起和其它台阶可为孪晶界迁移提供高密度的孪生位错源,有助于释放局部应力集中,延缓微裂纹在孪晶界上过早形核和扩展,从而可使镁合金由脆性断裂转变为韧性断裂。此外,{1011}孪晶界上含有b±1/±1型残余位错的一层台阶通过吸收或释放孪生位错转变为含有b±p/±p型界面位错的台阶。含有b±p/±q型或b±p/±p型界面位错的台阶吸收或释放基面a60、c+a60或1/62023弗兰克不全位错,可产生含有b±p/±qSF型或b±p/±pSF型界面位错的台阶及与其相连的三层基面层错,并降低局部晶格畸变。这些过程有助于孪晶界迁移,减小台阶处局部晶格应变,对提高镁合金的塑性具有重要的作用。孪晶界与分别来自基体和孪晶中的基面a60位错构成的相同角度的对称倾侧小角晶界反应可产生含有b±3/±2型、b1/-1型或b-1/1型界面位错的近孪晶取向的对称倾侧晶界。b1/-1型或b-1/1型界面位错的柏氏矢量垂直于孪晶界。近孪晶取向的对称倾侧晶界可通过与离散的基面a60位错反应发射孪生位错进行迁移,也可通过晶界滑移或与一排入射的基面a60位错反应演变为孪晶界,释放界面位错。近孪晶取向的对称倾侧晶界的迁移和演变可恢复晶界移动能力,避免或延缓微裂纹在晶界上萌生。