Acta Mater: 静态压缩下位错种类在多晶纯镍样品中的演化

【引言】

位错是一种晶体内部的拓扑缺陷，对于理解金属材料的力学性能尤为重要。由于大量晶界的存在，多晶金属样品在形变过程中会形成塑性应变的梯度。根据连续介质中的位错理论，这样的塑性应变梯度是由几何需要位错 (GND) 所容纳的。而在单晶的形变过程中，形变相对比较均匀，所以在这种情况下产生的加工硬化是由于统计储存位错 (SSD) 的产生。统计储存位错 (SSD) 同样会在多晶形变中产生，但是单晶的形变中几乎没有几何需要位错 (GND) 。在过去几十年的研究中，人们已经可以通过电子背散射所测量的晶格曲率量化几何需要位错 (GND) 的密度，但是几何需要为错 (GND) 的演化规律还有和统计储存位错 (SSD) 密度的关系在实验角度一直没有很好的理解。

【成果简介】

近日，来自加州大学圣迭戈分校的Kenneth Vecchio教授 (通讯作者) 基于Ashby (1970) 和Taylor (1938)的模型，在多晶的纯镍样品中提出一种测量统计储存位错 (SSD)密度的方法。通过和理论模型计算的对比，该研究定量地分析了在静态压缩下多晶纯镍样品（晶粒大小30微米左右）几何需要位错 (GND)密度和统计储存位错 (SSD) 密度的演化规律以及分析了和加工硬化还有塑性流动应力之间的关系。论文标题为 (Dislocation-type evolution in quasi-statically compressed polycrystalline nickel) 在线发表于 《Acta Materialia》，论文第一作者为加州大学圣迭戈分校的研究生朱超逸。

【论文导读】

图1 (a) 纯镍样品为3 mm(H)*3 mm (D)的圆柱形样品，然后取其截面之后抛光 (b)

图2  通过SPS烧结的样品原始晶粒结构 (左)电子背散射图 (右) 以及晶粒大小的统计放电等离子烧结条件：纯镍粉1200, 50MPa, 5 min。然后取出之后退火去除残余应力。晶粒大小通过对数正态分布分析得出为30微米。

图3 Nye tensor的示意图

Nye tensor 是一个关于位错场的张量，通过求面积分就可以获得相对应的伯格斯矢量。

图4 多晶中几何需要位错（GND）密度在不同晶粒大小（λ_G）下关于塑性应变的演化理论值。同样材料的单晶中统计储存位错（SSD）密度关于塑性应变的演化实验值（TEM）。该图选取于Ashby (1970)年发表的文章。

图5 塑性应变量为0，0.05，0.11，0.2，0.33，0.46的纯镍样品电子背散射图

图6 几何需要位错（GND）密度的统计分析

图7 (a) Ashby关于GND密度的模型和用EBSD测量GND数值的比例; (b) Ashby模型预测（蓝）和EBSD测量的GND密度值关于塑性应变的变化以及测量数据的几何标准差 （绿）。

图8 (a)塑性流动应力大小  (b) 通过Taylor 硬化模型得出的总位错密度

图9 总位错密度 (Taylor，蓝线)，测量的GND密度（EBSD，绿线）和估计的SSD密度（前两者差值，红线）关于塑性应变的变化。形变在不同阶段的位错分布示意图。

图10 几何需要位错(GND)密度的分布以及其对应的电子背散射图。

【小结】

几何需要位错（GND）和统计储存位错（SSD）在材料加工硬化和塑性流动应力都起到了很重要的作用：

1. 由于统计储存位错密度的增加速率相对更快，所以在加工硬化过程中统计储存位错的贡献相对更大一些。

2.这两种位错对于塑性流动应力的贡献上则存在一个分界点：对于30微米左右晶粒大小的纯镍，这个分界点大概在塑性应变量09左右。这和图4中Ashby的预测相吻合。随着晶粒大小的变化，这个分界点的数值也会发生变化。理论上，晶粒越大，这个分界点的值越小，而晶粒越小，这个分界点的值越大。

3.几何需要位错（GND）的增长趋势在塑性应变05和0.46之间基本上线性的，这和Ashby的模型相符。由于模型所预测的是晶界附近密度较大的值，所以测量值要小于Ashby 模型所给出的值。测量数据的几何标准差的变化表明随着应变增加，几何标准差变大，也就是形变的不均匀性变高了。

文献链接：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，材料牛编辑整理。

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