В металлах и сплавах с гранецентрированной кубической структурой (ГЦК) двойниковые границы эффективно препятствуют движению дислокаций, благодаря чему металлы и сплавы с высокой плотностью нанодвойников обладают одновременно выдающейся прочностью и пластичностью. В случае меди с ГЦК её ростовые и отжиговые двойники обычно имеют прямоугольную форму и содержат многочисленные некогерентные двойниковые границы (Incoherent Twin Boundaries, ITBs). Напротив, деформационные двойники чаще всего имеют веретенообразную форму; их границы представляют собой зазубренные когерентные двойниковые границы (Serrated Coherent Twin Boundaries, SCTBs), которые состоят из участков когерентных двойниковых границ и ступеней двойниковых дислокаций (Twinning Disconnections, TDs). Рост деформационных двойников осуществляется за счёт движения этих двойниковых дислокаций, которые, будучи составленными из неполных дислокаций одного направления, обычно имеют высоту всего в один атомный слой. Таким образом, различия в структуре двойниковых границ обусловливают заметные морфологические отличия между ростовыми/отжиговыми и деформационными двойниками в ГЦК‑металлах. Многочисленные исследования раскрыли механизмы формирования указанных двойниковых границ, однако фундаментальные вопросы, связанные с самим процессом их образования, по‑прежнему требуют экспериментального подтверждения.

Исследователи из Государственной ключевой лаборатории металлических композитных материалов Шанхайского университета Цзяо‑Тун — научный сотрудник Лю Юэ, профессор Цзэн Сяочинь, а также профессор Ван Цзянь из Университета Небраски в Линкольне и другие — применили метод нанокомпрессии in situ с использованием HRTEM, чтобы приложить сдвиговое напряжение определённого направления к когерентным двойниковым границам FCC‑меди и изучить процесс миграции этих границ во время нанокомпрессии. Был проанализирован механизм миграции двойниковых границ под действием заданного сдвигового напряжения; на основе структуры границ и механизмов их формирования объяснены фундаментальные причины различий в морфологии ростовых/отжиговых и деформационных двойников. Исследователи установили: двойниковые дислокации, индуцируемые при действии сдвигового напряжения, образуются по иному механизму, чем структура ITB, возникающая самопроизвольно в ходе процессов роста или отжига. Под воздействием сдвигового напряжения определённого направления могут формироваться двойниковые дислокации; эти дислокации вследствие взаимодействия могут расширяться до двуслойных двойниковых дислокаций, однако такие двуслойные дислокации скорее подвергаются распаду, нежели продолжают развиваться в структуру ITB. Результаты данной работы были опубликованы в авторитетном журнале по металлургии «Scripta Materialia» под названием «Кинетика миграции двойниковых дислокаций в нанодвойниковой меди: экспериментальное исследование деформации методом HRTEM in situ». Первым автором выступил докторант Шанхайского университета Цзяо‑Тун Ли Цюань, вторым — Сун Цзянь; научными руководителями стали научный сотрудник Лю Юэ и профессор Цзэн Сяочинь.

Ссылка в оригинале: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.11.006

Рис. 1 Микроструктура FCC‑медных двойников, изучаемая в данной статье

Рис. 2 Процесс образования и перемещения ступеней атомных двойниковых дислокаций (Twinning Disconnections, TDs) на первом слое

Рис. 3 Ход эксперимента

В эксперименте in situ FCC‑медь была размещена на оборудовании компании «ZEPTOOLS». Пико Фемто ® На образцовой стороне стержня для двойного наклона в режиме in situ трёхмерный наноманипулятор, расположенный напротив образца, позволяет точно прикладывать к нему давление и сдвиговые усилия. Следует отметить, что даже во время процесса in situ‑нагрузки можно получать чёткое видеообразование образца с высоким разрешением.

Рис. 4 Технология «Цзэюй», использовавшаяся в эксперименте Пико Фемто ® Стойка для образцов с двойным наклоном в исходном положении