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如何提高密排六方(hexagonal close packed,HCP)金属的塑韧性及其加工性能,一直是一个尚待解决的重要问题,其原因在于HCP金属中位错滑移系有限,滑移变形不能满足形状改变所必须的5个独立应变分量的变形协调条件,变形机制一般由孪生主导。但至今HCP金属的孪生机制,即孪晶形成及长大过程受到多重复杂因素影响已备受争议,究竟如何至今尚不清楚。对此,大量的计算机模拟工作已展开,然而在进一步的实验上验证却很少。本论文在实验工作基础上对HCP金属变形孪晶进行研究,尤其是对孪晶界(因为孪晶界处于孪晶长大的位置上,它的移动会导致孪晶的长大)的研究已成为当务之急。 本论文以纯钴(Co),纯钛(Ti)以及镁合金(AZ31)等HCP金属为研究对象,对以上三种HCP金属进行动态塑性变形(dynamic plastic deformation,DPD)实验,使用高分辨透射电镜(High-resolution transmission electron microscopy,HRTEM)对变形后样品中的{1012}和{1011}孪晶形态进行表征分析,并通过构建物理模型(基于位错理论)对变形孪晶进行分析与讨论。主要研究成果包括: ①对Co,Ti和AZ31中{1012}孪晶界面精细结构分析得到:由于界面缺陷存在于{1012}孪晶界,导致孪晶界偏离了{1012}孪晶面一定的角度(但是通常不会超过几度)。构建拓扑模型将所选取的三种典型的界面缺陷分别标记为b-2/-2,b-3/-4和b17/17,并运用柏氏回路法计算出{1012}孪晶中各种类型界面缺陷的能量。在严格遵守位错理论前提下,提出三种产生界面缺陷可能的机制:第一,在孪生过程中不断地自动生成孪生位错b2/2;第二,界面缺陷之间的相互作用;第三,基体位错在孪晶界面上分解。 ②Co,Ti和AZ31的透射电镜低倍相和高分辨相照片显示了{1012}孪晶界面不在一个恒定的平面上,而且{1012}孪晶取向差没有固定的值,通常偏离了理论上的取向差(86.3°)。对{1012}孪晶界面进行系统地表征,总体上把{1012}孪晶界分为两种:第一种为规则型的孪晶界(指{1012}孪晶界面在{1012}孪晶面上,且{1012}孪晶取向差接近于理论上的取向差86.3°);第二为不规则性的孪晶界(指{1012}孪晶界面完全偏离了{1012}孪晶面上,且{1012}孪晶取向差较大角度理论上的取向差86.3°)。其中,规则型的界面包括:连续性孪晶界面(coherent twinning boundary,CTB),正交孪晶界界面(basal-prismatic interfaces,BPsorPBs)和锯齿状孪晶界面(serrated coherent twinning boundary,SCTB)。而不规则性的孪晶界非常复杂,不存在一定的规律性。根据连续性孪晶界面和正交孪晶界界面概念的提出,并基于位错理论的基础上提出了两种机制来解释{1012}孪晶中产生大量堆垛层错的原因。这两种机制分别为:第一种机制,孪生位错(twnning dislocations,TDs)首先在连续性界面(CTB)形核并移动,导致连续性界面(CTB)的移动。孪生位错(TDs)可能会分解为界面位错(interfacial dislocations,IDs)位错并且在BP/PB界面上攀移,导致BP/PB界面的移动;第二种机制,界面位错(IDs)位错首先在PBs/BPs界面形核并且在其界面上攀移,导致PBs/BPs界面的移动,界面位错(IDs)可能会分解为孪生位错(TDs),产生的孪生位错在连续性界面上滑移致使连续性界面(CTB)移动。而BP/PB界面的移动可以使得残余位错积聚,并且阻碍孪晶界的进一步移动,最终会在基面上分解成基面位错以及不全位错,而不全位错的移动可以产生堆垛层错。 ③我们实验上的高分辨照片证实了经典的{1012}孪生理论,表明{1012}孪生位错的移动可以使{1012}孪晶长大。然而,任何孪生机制都需要热激活和应力集中,所以没有固定的机制来解释产生一个完整的孪晶,而且这些孪生机制都是不完整的。在我们的高分辨照片发现大多数{1012}孪晶界面并不在{1012}孪晶面上,而且{1012}孪晶取向差也大角度的偏离了理论上的86.3°。此时,不能再由孪生位错的移动来使{1012}孪晶长大(经典的孪生理论),因为孪生位错的移动只能使{1012}孪晶界严格的平行于孪生方向(η1),而且取向差也不会大角度的偏离86.3°。所以,我们在实验上证实了Li等学者所提出的扰动(Shuffle)机制,并解释了扰动机制可以作为{1012}孪晶长大的主要机制。通过构建物理模型,阐述了扰动机制是如何使{1012}孪生变形产生应变的,其本质在于基体与孪晶之间的不匹配度而引起的。 ④对Co{1011}孪晶进行系统分析得到:1){1011}孪晶界为纯镜面对称的孪晶界面,孪晶界上四层的孪生位错(b4)核心结构相对紧凑,并且该位错的剪切方向是严格平行于{1011}孪生方向(η1)的。2)构建拓扑模型预测b4孪生位错的拓扑参数(柏氏矢量大小和台阶高度)与用柏氏回路法计算所得的结果非常吻合。3)在实验的基础上,证实了{1011}孪晶是由孪生位错b4在孪晶界上的移动而长大,而不是两层的孪生位错孪生位错(b2)。b4孪生位错可以由两个孪生位错b2结合形成,其反应式为:224b+b?b,满足弗兰克规则。