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西安交大:发现金属韧-脆转变新机制
发布者: 韩卫忠 | 2022-05-22 | 793

转自材料科学与工程公众号:

https://mp.weixin.qq.com/s/L7-TPeQIszAZW3w1ytxpiA 

 

       钢和难熔金属在内的体心立方金属,在临界温度下会发生突然的韧-脆转变(DBT),从而影响其性能和应用。依赖温度的位错迁移率和位错形核,被认为是导致DBT的潜在因素。然而,这种由韧变脆的突然转变的起源,仍然是一个谜。
 
        在此,来自西安交通大学的韩卫忠等研究者,发现螺位错速度与刃位错速度的比值是影响韧-脆转变的控制因素。相关论文以题为“Relative mobility of screw versus edge dislocations controls the ductile-to-brittle transition in metals”发表在PNAS上。
 
论文链接:
https://www.pnas.org/content/118/37/e2110596118

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       韧性-脆性转变(DBT),是体心立方(BCC)金属中普遍存在的特征。在临界温度以下,即韧脆转变温度(DBTT), BCC金属的塑性表现为从韧性变形到解理脆性断裂的突变,从而限制了这些金属的使用温度窗口。因此,深入了解BCC金属中DBT的控制机理,对其更广泛的应用至关重要。
 
       材料的脆性/韧性(即抗裂纹扩展),取决于裂纹尖端附近的位错活动。裂纹尖端塑性是减缓或阻止裂纹前进的过程,包括两个不同的过程:位错在裂纹尖端或附近的形核和它们从裂纹滑动。因此,BCC金属的DBT性能,可以追溯到a/2< 111 >螺位错的形核和滑动。在BCC金属中,这些螺旋位错在环境条件下具有解离的三维核心结构和三重对称。对于位错成核,位错源在低温下很难工作。对于位错滑移,必须克服固有的阻力,即佩尔斯应力。因此,究竟是螺位错成核还是滑移控制着DBT仍存在争议。DBTT在很大程度上取决于加载速率、微观结构和杂质。断裂韧性的温度依赖性和应变速率依赖性表明,DBT的活化能与螺位错双扭结形成的活化能接近;这提示DBT是由螺位错迁移率控制的。然而,迄今还没有令人信服的解释,为什么平滑/逐渐的温度依赖的扭曲对的形成总是引起突然的DBT?位错性质和DBT之间令人信服的定量联系,仍然是个未知数。
 
       在此,研究者使用高温纳米压痕测量铬(Cr)中的DBT,并量化了螺位错与刃位错的相对迁移率。在此,研究者建立了一个物理模型,将Frank-Read位错源的效率与螺位错与刃位错的相对迁移率联系起来。研究表明,足够高的相对迁移率是螺和刃段协调运动以维持位错增殖的先决条件。纳米压痕实验发现,铬中DBT的临界迁移率为0.7,高于0.7时位错源由一次性位错转变为可再生位错源。与此同时,铁、钨、铝的实验结果也支持该模型。
 

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图1 Cr的纳米压痕行为。
 

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图2 [455]晶粒压痕下的位错结构。
 

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图3 位错的特征和活动性。
 

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图4 错位、相对迁移率和效率的Frank Read源。
 
       综上所述,纳米压痕硬度作为测试温度的函数,可以用来测量金属中的DBT和DBTT。足够的可塑性以避免脆性,意味着需要大量的位错产生/活动。后者则需要有效的Frank Read源和容易的交叉滑移,而交叉滑移又依赖于足够高的螺-刃速度比来有效操作。(文:水生)