金属所提出晶体堆垛层错形成机理新认识

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  堆垛层错(Stacking faults)是晶体结构中不同于正常排列顺序的堆垛错排,是金属材料中经常出现的一种面缺陷。对于结构相对复杂的金属间化合物(Intermetallics),其内部也会出现堆垛层错,例如,常见的Laves相金属间化合物中,其密排面往往出现层错。层错的引入会导致材料局部晶体结构的改变,进而影响到其性能。Zircaloy-4(Zr-4)合金是一种核反应堆燃料包壳材料,其显微组织由微米尺寸的等轴α-Zr基体和纳米尺寸的Laves析出相组成。Laves相共有三种晶体结构,分别为C14六方结构、C15立方结构以及C36六方结构,Zr-4合金中的第二相结构多为前两种。

  近日,中国科学院金属研究所沈阳先进材料研究发展中心钛合金研究部李阁平研究组发现,Zr-4合金中C14结构Laves析出相中往往包含层错,层错的出现使Laves相的晶体结构类型发生改变,具体为C14结构向C36结构的转变,这是由于C14结构与C36结构Laves相在{0001}面堆垛方式的差异。当C14结构Laves相的{0001}面出现堆垛层错时,局部晶体结构转变为C36结构。这一转变是平行于{0001}面的同步剪切导致,而这一剪切力的来源一直是科研人员讨论的话题。李阁平研究组发现,第二相与α-Zr晶界之间的相互作用产生的钉扎力,恰好提供了Laves第二相形成层错的驱动力,这一发现打开了理解层错形成机理的全新思路。

  由此可见,晶界与纳米第二相颗粒的相互作用,是值得被关注的。例如,晶粒长大、晶粒变形时导致的晶界迁移,可能会影响第二相中的亚结构,导致第二相中线缺陷、面缺陷分布的变化,进而可能导致第二相颗粒中晶体结构的改变。该研究也为第二相/晶界工程相关研究提供了参考。

  堆垛层错(Stacking faults)是晶体结构中不同于正常排列顺序的堆垛错排,是金属材料中经常出现的一种面缺陷。对于结构相对复杂的金属间化合物(Intermetallics),其内部也会出现堆垛层错,例如,常见的Laves相金属间化合物中,其密排面往往出现层错。层错的引入会导致材料局部晶体结构的改变,进而影响到其性能。Zircaloy-4(Zr-4)合金是一种核反应堆燃料包壳材料,其显微组织由微米尺寸的等轴α-Zr基体和纳米尺寸的Laves析出相组成。Laves相共有三种晶体结构,分别为C14六方结构、C15立方结构以及C36六方结构,Zr-4合金中的第二相结构多为前两种。

  近日,中国科学院金属研究所沈阳先进材料研究发展中心钛合金研究部李阁平研究组发现,Zr-4合金中C14结构Laves析出相中往往包含层错,层错的出现使Laves相的晶体结构类型发生改变,具体为C14结构向C36结构的转变,这是由于C14结构与C36结构Laves相在{0001}面堆垛方式的差异。当C14结构Laves相的{0001}面出现堆垛层错时,局部晶体结构转变为C36结构。这一转变是平行于{0001}面的同步剪切导致,而这一剪切力的来源一直是科研人员讨论的话题。李阁平研究组发现,第二相与α-Zr晶界之间的相互作用产生的钉扎力,恰好提供了Laves第二相形成层错的驱动力,这一发现打开了理解层错形成机理的全新思路。

  由此可见,晶界与纳米第二相颗粒的相互作用,是值得被关注的。例如,晶粒长大、晶粒变形时导致的晶界迁移,可能会影响第二相中的亚结构,导致第二相中线缺陷、面缺陷分布的变化,进而可能导致第二相颗粒中晶体结构的改变。该研究也为第二相/晶界工程相关研究提供了参考。


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