Acta Mater: 靜態壓縮下位錯種類在多晶純鎳樣品中的演化

【引言】

位錯是一種晶體內部的拓撲缺陷，對于理解金屬材料的力學性能尤為重要。由于大量晶界的存在，多晶金屬樣品在形變過程中會形成塑性應變的梯度。根據連續介質中的位錯理論，這樣的塑性應變梯度是由幾何需要位錯 (GND) 所容納的。而在單晶的形變過程中，形變相對比較均勻，所以在這種情況下產生的加工硬化是由于統計儲存位錯 (SSD) 的產生。統計儲存位錯 (SSD) 同樣會在多晶形變中產生，但是單晶的形變中幾乎沒有幾何需要位錯 (GND) 。在過去幾十年的研究中，人們已經可以通過電子背散射所測量的晶格曲率量化幾何需要位錯 (GND) 的密度，但是幾何需要為錯 (GND) 的演化規律還有和統計儲存位錯 (SSD) 密度的關系在實驗角度一直沒有很好的理解。

【成果簡介】

近日，來自加州大學圣迭戈分校的Kenneth Vecchio教授?(通訊作者) 基于Ashby (1970) 和Taylor (1938)的模型，在多晶的純鎳樣品中提出一種測量統計儲存位錯 (SSD)密度的方法。通過和理論模型計算的對比，該研究定量地分析了在靜態壓縮下多晶純鎳樣品（晶粒大小30微米左右）幾何需要位錯 (GND)密度和統計儲存位錯 (SSD) 密度的演化規律以及分析了和加工硬化還有塑性流動應力之間的關系。論文標題為 (Dislocation-type evolution in quasi-statically compressed polycrystalline nickel) 在線發表于 《Acta Materialia》，論文第一作者為加州大學圣迭戈分校的研究生朱超逸。

【論文導讀】

圖1 (a) 純鎳樣品為3 mm(H)*3 mm (D)的圓柱形樣品，然后取其截面之后拋光 (b)

圖2 ?通過SPS燒結的樣品原始晶粒結構 (左)電子背散射圖 (右) 以及晶粒大小的統計放電等離子燒結條件：純鎳粉1200, 50MPa, 5 min。然后取出之后退火去除殘余應力。晶粒大小通過對數正態分布分析得出為30微米。

圖3 Nye tensor的示意圖

Nye tensor 是一個關于位錯場的張量，通過求面積分就可以獲得相對應的伯格斯矢量。

圖4 多晶中幾何需要位錯（GND）密度在不同晶粒大小（λ_G）下關于塑性應變的演化理論值。同樣材料的單晶中統計儲存位錯（SSD）密度關于塑性應變的演化實驗值（TEM）。該圖選取于Ashby (1970)年發表的文章。

圖5 塑性應變量為0，0.05，0.11，0.2，0.33，0.46的純鎳樣品電子背散射圖

圖6 幾何需要位錯（GND）密度的統計分析

圖7 (a) Ashby關于GND密度的模型和用EBSD測量GND數值的比例; (b) Ashby模型預測（藍）和EBSD測量的GND密度值關于塑性應變的變化以及測量數據的幾何標準差 （綠）。

圖8 (a)塑性流動應力大小 ?(b) 通過Taylor 硬化模型得出的總位錯密度

圖9 總位錯密度 (Taylor，藍線)，測量的GND密度（EBSD，綠線）和估計的SSD密度（前兩者差值，紅線）關于塑性應變的變化。形變在不同階段的位錯分布示意圖。

圖10 幾何需要位錯(GND)密度的分布以及其對應的電子背散射圖。

【小結】

幾何需要位錯（GND）和統計儲存位錯（SSD）在材料加工硬化和塑性流動應力都起到了很重要的作用：

1. 由于統計儲存位錯密度的增加速率相對更快，所以在加工硬化過程中統計儲存位錯的貢獻相對更大一些。

2.這兩種位錯對于塑性流動應力的貢獻上則存在一個分界點：對于30微米左右晶粒大小的純鎳，這個分界點大概在塑性應變量09左右。這和圖4中Ashby的預測相吻合。隨著晶粒大小的變化，這個分界點的數值也會發生變化。理論上，晶粒越大，這個分界點的值越小，而晶粒越小，這個分界點的值越大。

3.幾何需要位錯（GND）的增長趨勢在塑性應變05和0.46之間基本上線性的，這和Ashby的模型相符。由于模型所預測的是晶界附近密度較大的值，所以測量值要小于Ashby 模型所給出的值。測量數據的幾何標準差的變化表明隨著應變增加，幾何標準差變大，也就是形變的不均勻性變高了。

文獻鏈接：Dislocation-type evolution in quasi-statically compressed polycrystalline nickel?（Acta Materialia, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.022）

本文由Chaoyi Zhu供稿，材料牛編輯整理。

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