【Внутрикристаллическая характеристика полупроводников】Взаимодействие дислокаций и двойников в среднеэнтропийных сплавах
Дата публикации:
2024-03-21
Взаимодействие дислокаций и двойников играет важную роль в регулировании пластической деформации материалов, например, повышая скорость их наклёпа. Однако сопротивление границ двойников движению дислокаций относительно невелико; заметный эффект упрочнения, индуцированный двойниками, проявляется лишь при крайне высокой плотности таких границ. Вместе с тем число двойников обычно достигает насыщения, а в массивных металлических материалах трудно обеспечить введение нанодвойников с высокой плотностью.
Взаимодействие дислокаций и двойников играет важную роль в регулировании пластической деформации материалов, например, повышая скорость их наклёпа. Однако сопротивление границ двойников движению дислокаций относительно невелико; заметный эффект упрочнения, индуцированный двойниками, проявляется лишь при крайне высокой плотности таких границ. Вместе с тем количество двойников обычно достигает предельного значения, и в массивных металлических материалах трудно обеспечить введение нанодвойников с высокой плотностью.
Исследователи стремились разместить атомы легирующих элементов на границах двойников для достижения более эффективного упрочнения, однако сталкивались с ограничением, обусловленным совместимостью размеров атомов замещающих элементов и параметров кристаллической решётки. По сравнению с атомами замещения вставные атомы способны вызывать более значительные деформации решётки и обеспечивать более эффективное упрочнение. Однако по мере увеличения концентрации вставных атомов формируются хрупкие керамические фазы, поэтому в традиционных сплавах концентрация вставных атомов обычно остаётся весьма ограниченной. Недавно было предложено, что характерная для многокомпонентных сплавов (MPEA) сильная деформация кристаллической решётки может создавать более благоприятные локальные условия для размещения вставных атомов. В то же время из‑за различий в размерах атомов асимметрия мест вставки в решётке снижает вероятность образования упорядоченных керамических фаз.
В связи с этим профессор Ю Цянь и другие сотрудники Центра электронной микроскопии Чжэцзянского университета использовали Изготовленный компанией «Аньхой Цзэюй Технологии» образцовый стержень для одностороннего наклонного растяжения в условиях эксперимента С использованием методов iDPC‑STEM‑имиджинга и EDS‑характеризации проведено исследование влияния взаимодействия дислокаций и границ двойников в среднэнтеропной сплаве NiCoCrO, содержащем 6 ат.% (атомных процентов) кислорода. Диффузия решеточных деформаций в этом сплаве обусловливает его высокую растворимость кислорода на междоузлиях. Атомы кислорода занимают тетраэдрические и октаэдрические междоузлия и склонны накапливаться в дефектах, таких как границы двойников и слоистые дефекты. В процессе пластической деформации зоны с повышенным содержанием кислорода вблизи границ двойников препятствуют прямому переносу дислокаций или их перекрёстному скольжению на другую плоскость двойника, что приводит к выраженному запутыванию дислокаций, их частичному расщеплению и отклонению направления скольжения. Полученные результаты выявляют механизм упрочнения, связанный с совместным действием границ двойников и междоузлиевых атомов. Данная работа под названием «Взаимодействие дислокаций и двойников в среднэнтеропном сплаве с высокой плотностью междоузлиевых атомов кислорода» опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds; ответственный автор — профессор Ю Цянь из Чжэцзянского университета. Первым автором является доктор Сун Яцзинь из Чжэцзянского университета.
Ссылка на полный текст: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169522
Основные направления исследования статьи:
1: Структурная характеристика:
Рис. 1: Характеризация двойников в сплаве NiCoCrO
На рис. 1 представлена электронная микроскопическая картина двойниковой структуры (FCC‑тип) в сплаве NiCoCrO; iDPC показывает, что атомы кислорода занимают тетраэдрические и октаэдрические междоузлия, а вблизи границ двойников наблюдаются зоны с повышенным содержанием кислорода.
2: Эксперимент по измерению деформации в натуре:
Рис. 2: Внутрикристаллитные растягивающие испытания в режиме in situ при помощи ТЭМ сплава NiCoCrO и TWIP‑HEA1
Для выявления влияния кислородных вакансий на упрочнение границ мартенситных двойников мы провели in situ‑эксперименты по растяжению в ТЭМ и сравнили динамическое взаимодействие дислокаций с границами мартенситных двойников — как полных, так и частичных — в богатом кислородом сплаве NiCoCrO и в высокоэнтропийном сплаве (HEA) с двойникующей индуцированной пластичностью (TWIP), не содержащем значительного количества вакансий кислорода.
При растягивающей деформации, как показано на рис. 2a, в TWIP‑HEA траектории скольжения дислокаций, входящих и выходящих из двойниковых границ, обладают зеркальной симметрией; на рис. 2b — в сплаве NiCoCrO, когда дислокация сталкивается с двойниковой границей, её движение сильно затрудняется: вдоль двойниковой границы формируются узлы блокировки движения дислокаций и наблюдаются серьёзные переплетения дислокаций; кроме того, под действием межузловых атомов эффект блокировки движения дислокаций усиливается ещё больше.
Рис. 3: Внутрикристаллитные растягивающие испытания в режиме ОПЭМ сплава NiCoCrO и TWIP‑HEA2
При растягивающей деформации, как показано на рис. 3a, в сплаве NiCoCrO на некоторых участках вдоль границ мартенситных двойников также фиксируется движение части дислокаций, что влияет на изменение морфологии слоистых дефектов. Как видно на рис. 3b, когда хвостовая часть расширяющейся дислокации закрепляется у границы двойника, может также происходить реакция дислокаций d3 + d4 → d5 + d6. В отличие от этого, в TWIP‑HEA движение отдельных дислокаций при столкновении с границами двойников протекает более регулярно: траектории скольжения соответствующих частей дислокаций по обе стороны от границы двойника оказываются симметричными.
3: Анализ механизма:
Рис. 4: Внутренний механизм взаимодействия дислокаций и границ мартенситных двойников в сплаве NiCoCrO
Взаимодействие дислокаций и двойников в сплаве NiCoCrO отличается от аналогичного взаимодействия в TWIP‑сплавах и высокопроцентных сплавах NiCoCr, где отсутствует значительное количество межузловых атомов. В сплаве NiCoCrO пиннинг двойниковых границ относительно движения дислокаций проявляется более выраженно, а реакции дислокаций на двойниковых границах оказываются значительно сложнее. Предполагается, что наличие большего числа атомарных препятствий для движения дислокаций на двойниковых границах может быть связано с присутствием кислородных межузловых дефектов. Рис. 4a–d подтверждают, что кислородные межузловые дефекты сосредоточены преимущественно на двойниковых границах и в других дефектах, таких как слоистые дефекты.
Рис. 4e раскрывает механизм взаимодействия дислокаций и двойников в процессе пластической деформации сплава NiCoCrO. В этом сплаве неравномерное распределение межузловых атомов кислорода затрудняет движение дислокаций и повышает энергетический барьер для реакций дислокаций на границах двойников. На начальной стадии пластической деформации дислокации преимущественно закрепляются в отдельных точках вблизи границ двойников; по мере увеличения приложенного напряжения наблюдается интенсивное накопление дислокаций, их переплетение и локальная диссоциация, что приводит к отклонению направления скольжения дислокаций и изменению системы скольжения.
В заключение следует отметить, что в многокомпонентных сплавах с высокой концентрацией кислородных вакансий неоднородное распределение атомов кислорода изменяет структуру двойниковых границ, корректирует энергетический барьер для движения дислокаций и приводит к различным типам взаимодействия между дислокациями и двойниковыми границами. В ходе in situ‑тестирования деформации на ТЭМ, атомно‑разрешённой ЭДС‑съёмки и продвинутой iDPC‑STEM‑характеризации было установлено, что в сплаве NiCoCrO атомы кислорода одновременно занимают октаэдрические и тетраэдрические междоузлия, причём они особенно склонны накапливаться в дефектах, таких как двойники и слоистые дефекты. В результате могут возникать более сильные взаимодействия между дислокациями и сложные реакции дислокаций, что, в свою очередь, приводит к более выраженному упрочняющему эффекту двойниковых границ.
Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — отечественный производитель высокоточных приборов, являющийся ведущим поставщиком решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов. , выпущенный Пико Фемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью просвечивающего электронного микроскопа последовательно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке — визуализация образцовой стойки для in situ‑ПЭМ, использованной в данном исследовании:
Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда была начата разработка электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время компания располагает в том числе… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑представительный столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, привлекли широкое внимание как на внутреннем, так и на международном рынках, заполнив многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑измерительных приборов.
Связанные новости
Свяжитесь с нами
Телефон:15756003283
Электронная почта:support@zeptools.com
Адрес: провинция Аньхой, город Тунлинь, Электронный парк предпринимательства «Дунши», д. 15