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《Acta Materialia》：應(yīng)力誘導(dǎo)非晶化晶內(nèi)剪切帶形成機(jī)理研究！

2022-08-18 13:25:24 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：在變形的橄欖石聚集體中發(fā)現(xiàn)了粒內(nèi)非晶化剪切薄片。詳細(xì)的透射電子顯微鏡分析在顆粒核心中捕獲的粒內(nèi)薄片提供了關(guān)于非晶化機(jī)制的新信息。變形場(chǎng)復(fù)雜且不均勻，對(duì)應(yīng)于涉及模式 I、II 和 III 加載分量的剪切裂紋型不穩(wěn)定性。非晶薄片的形成和擴(kuò)展伴隨著尖端前方晶體缺陷的形成。這些缺陷是幾何必須位錯(cuò)、橄欖石中高應(yīng)力變形的特征以及暫時(shí)解釋為向錯(cuò)的旋轉(zhuǎn)納米域。我們表明，這些缺陷在決定非晶薄片所遵循的路徑方面起著重要作用。因此，橄欖石中應(yīng)力誘導(dǎo)的非晶化將是由與剪切不穩(wěn)定性相關(guān)的直接晶體到非晶轉(zhuǎn)變引起的，而不是由于強(qiáng)烈的初步變形導(dǎo)致大量缺陷的積累而導(dǎo)致的機(jī)械不穩(wěn)定。一些薄片沿 (010) 的優(yōu)先排列證明了這些平面的極限機(jī)械強(qiáng)度較低。

結(jié)晶固體的塑性變形通常由缺陷運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)：點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)或晶界。與這些傳統(tǒng)的變形機(jī)制不同，越來越多的證據(jù)表明，在陶瓷和其他共價(jià)鍵結(jié)合的固體（如半導(dǎo)體在低溫下受到?jīng)_擊或變形（例如通過壓痕）。最初，固態(tài)非晶化主要被認(rèn)為是對(duì)壓力的響應(yīng)并根據(jù)熱力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行解釋。由于難以達(dá)到高壓平衡結(jié)晶狀態(tài)，因此提出了一種動(dòng)力學(xué)上優(yōu)選的轉(zhuǎn)化路徑。然而，早期認(rèn)識(shí)到在較低壓力下促進(jìn)非晶化的剪切效率并導(dǎo)致將應(yīng)力誘導(dǎo)的非晶化視為變形機(jī)制。然而，驅(qū)動(dòng)非晶化的基本機(jī)制以及它與其他變形機(jī)制的聯(lián)系仍然需要澄清。

Ovid'ko區(qū)分了兩類可能的非晶化引起的變形機(jī)制。在第一種情況下，非晶化是塑性的最終階段，是由與晶體缺陷積累相關(guān)的結(jié)構(gòu)坍塌造成的。這是為具有足夠延展性的金屬設(shè)想的機(jī)制。例如，小池等人]觀察到在室溫下軋制的 NiTi 合金的非晶化。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示非常高的位錯(cuò)密度 10 17 -10 18 m -2在無定形區(qū)域附近?；谶@種位錯(cuò)密度產(chǎn)生的彈性能與結(jié)晶能具有相同數(shù)量級(jí)的估計(jì)，Koike等人。得出的結(jié)論是位錯(cuò)積累是推動(dòng)冷軋鎳鈦非晶化的主要力量。然而，位錯(cuò)的作用并不限于延展性晶體。在經(jīng)受納米壓痕的超硬低氧化硼（B 6 O）中，觀察到無定形帶旁邊的位錯(cuò)環(huán)導(dǎo)致 Reddy等人。將晶格的坍塌與剪切滑動(dòng)過程中位錯(cuò)的積累聯(lián)系起來。Reddy等人最近再次應(yīng)用了該模型。解釋B4C中的非晶化。Lin等人也得出了類似的結(jié)論。對(duì)于單斜晶γ -Y 2 Si 2 O 7，一種在室溫下壓痕的耐火陶瓷，基于非晶層的組織和性質(zhì)之間的驚人相似性，以及包含位錯(cuò)堆積的滑帶之一。位錯(cuò)的作用也被提出來解釋共價(jià)固體的非晶化。球磨硅的電子顯微鏡觀察表明，非晶化沿著缺陷（位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)）開始。從那時(shí)起，這一機(jī)制得到了證實(shí)然而，一些關(guān)于某些中間相的可能含義的討論（金剛石-六角形，參見 He等人）。在基于分子動(dòng)力學(xué)的數(shù)值研究中，Chen等人。像 Lin等人一樣考慮過位錯(cuò)堆積在觸發(fā)硅非晶化中可以起到放大作用。除了位錯(cuò)之外，還從理論的角度討論了向錯(cuò)中彈性變形的作用，特別是變形納米材料中的向錯(cuò)四極子。

Ovid'ko提出的第二種非晶化案例考慮了當(dāng)其他變形機(jī)制受到抑制時(shí)，非晶化直接由高應(yīng)力下的彈性不穩(wěn)定性引起的可能性。確實(shí)有許多非晶化的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，而沒有預(yù)先形成或積累晶體缺陷。例如，在透射電子顯微鏡中原位壓縮過程中繪制的石英微柱就是這種情況。在金屬間化合物 SmCo5 中，Luo等人。通過分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬證明，塑性變形可以通過非晶化剪切帶的形成而產(chǎn)生，而無需位錯(cuò)。

基于此，安特衛(wèi)普大學(xué)（QS世界年輕大學(xué)排名第17名）對(duì)橄欖石晶粒中中斷的非晶化剪切薄片的表征提供了有關(guān)應(yīng)力誘導(dǎo)的非晶化機(jī)制的信息。非晶化的機(jī)械起源由位移場(chǎng)的復(fù)雜（和異質(zhì)）形狀指示，其中涉及模式 I、II 和 III 中的加載分量。我們表明，非晶化確實(shí)伴隨著晶體缺陷的形成，但數(shù)量和配置不足以成為機(jī)械不穩(wěn)定性的原因。我們寧愿將這些缺陷（它們是 GND 和可能的向錯(cuò)）的形成解釋為驅(qū)動(dòng)晶體結(jié)構(gòu)機(jī)械不穩(wěn)定性的非常高應(yīng)力的證據(jù)。這些缺陷的形成強(qiáng)調(diào)了導(dǎo)致非晶化的應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜模式。它們強(qiáng)烈控制傳播薄片所遵循的路徑。在某些特定情況下，無定形薄片的傳播在晶體學(xué)上受到非常好的控制，優(yōu)選 (010) 平面，這表明這些平面的極限機(jī)械強(qiáng)度較低。

相關(guān)研究成果以題“On the formation mechanisms of intragranular shear bands in olivine by stress-induced amorphization”發(fā)表在增材制造頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422006279

圖 1.橄欖石中的晶內(nèi)非晶化剪切帶。(a) 從 GB 三聯(lián)結(jié)成核并在 1050 °C 和 0.3 GPa 變形的樣品中的晶粒內(nèi)停止的剪切帶的 HAADF-STEM 圖像。(b) 從 (a) 中的白色方塊放大，顯示帶的無定形性質(zhì)。右上方插圖中的 FFT 顯示了區(qū)域軸的索引，而右下方插圖中帶有 002 的 IFFT 證實(shí)了這些平面在薄片上的剪切。(c) 衍射對(duì)比暗場(chǎng) TEM 圖像顯示在 1200°C 和 5 GPa 下變形的樣品中的非晶化剪切帶。位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)與剪切帶之間沒有關(guān)系。(d) 來自 (c) 的 HRTEM 圖像顯示沿帶存在臺(tái)階。（e）和（f）OK邊緣和Mg-K邊緣分別在晶體和剪切帶中的EELS光譜。

圖 2.在 1050 °C 下變形的 NF1050-1 樣品中由非晶化剪切帶引起的位移場(chǎng)的表征。(a) 從無定形 GB 邊緣的非晶化剪切帶成核的高分辨率 ABF-STEM 圖像。(b) 從 (a) 中的白色方塊放大，顯示成核部位的面內(nèi)剪切的幅度和方向（模式 II）。(c) (a) 中紅色、藍(lán)色和綠色方塊的三個(gè) FFT。紅色和綠色 FFT 中光點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)（參見下圖中的紅線和綠線）證實(shí)了模式 I 的存在，而這些 FFT 中光點(diǎn)強(qiáng)度的差異與平面外一致剪切（模式 III）。(d) (a) 中同一區(qū)域的 HAADF-STEM 圖像。(e) 從 (d) 中的白色方塊放大，顯示帶內(nèi)存在結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。

圖 3.沿圖 2的非晶化剪切帶觀察旋轉(zhuǎn)納米域。(a) 離帶尖端不遠(yuǎn)的高分辨率 ABF-STEM 圖像幾乎是從側(cè)面觀察的。（a）中正方形 1 的 FFT 顯示了能帶的無定形特征，而正方形 2 的 FFT 顯示了譜帶的分裂點(diǎn)。(b) 在 (a) 中的 ABF-STEM 圖像與帶有額外斑點(diǎn)的虛擬暗場(chǎng)圖的疊加。它顯示了與該點(diǎn)相關(guān)的旋轉(zhuǎn)納米域沿帶的位置。(c) 從 (b) 中的白色方塊放大，顯示納米域位于晶體和非晶化剪切帶之間的界面處。(d) 在同一剪切帶的相鄰區(qū)域使用相同的程序。它顯示了 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)納米域的存在，這些旋轉(zhuǎn)納米域與 (d) 的 FFT 中的三個(gè)不同點(diǎn)相連。

圖 4.圖 2剪切帶傳播機(jī)制的表征。(a) 剪切帶尖端的高分辨率 ABF-STEM 圖像。(b) GPA 幅度圖對(duì)應(yīng)于（111）（a）中的平面顯示了帶的尖端和尖端之前的一些位錯(cuò)。請(qǐng)注意，提示遵循兩條不同的路徑。(c) GPA 應(yīng)變圖(a) 中，X 對(duì)應(yīng)于（112）方向和 Y 對(duì)應(yīng)于（130）方向。它顯示在 SB 的尖端存在三個(gè)位錯(cuò) (D1-D2-D3) 和在尖端之前的三個(gè)其他位錯(cuò) (D4-D5-D6)。(d) (a) 中的 ABF-STEM 圖像與 (c) 的 GPA 圖和帶有額外的虛擬暗場(chǎng)圖的疊加（111）點(diǎn)在（e）的FFT中。該 FFT 屬于 (a) 中的白色方塊。(d) 確認(rèn)沿路徑 2 在剪切帶尖端之前存在旋轉(zhuǎn)納米域。(f) (a) 中的 GPA 旋轉(zhuǎn)圖。它表明六個(gè)位錯(cuò)（D1-D6）位于兩個(gè)區(qū)域之間的界面處，具有剛性的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。(g) 示意圖顯示了基于 (af) 中所示的觀察結(jié)果控制剪切帶傳播的機(jī)制，更多詳細(xì)信息請(qǐng)參見討論部分。紅色三角形代表可能在納米域起源處的向錯(cuò)。

圖 5.剪切帶尖端位錯(cuò)的 Burgers 矢量表征。(a、b、c 和 d) GPA 應(yīng)變圖和旋轉(zhuǎn)圖，分別來自圖4中的圖像（a），X對(duì)應(yīng)于（112）方向和 Y 對(duì)應(yīng)于（130）方向。注意 GPA 應(yīng)變圖中沒有位錯(cuò) D1-D6 和 X1 應(yīng)變表明這些位錯(cuò)是[001]位錯(cuò)。

圖 6.圖 4 d中帶端旋轉(zhuǎn)缺陷性質(zhì)的表征。(a) 和 (b) GPA 剪切應(yīng)變和旋轉(zhuǎn)圖分別來自圖4a（'X' 對(duì)應(yīng)于 021 而 'Y' 對(duì)應(yīng)于兩個(gè)（111）分裂點(diǎn)）。圖6a和6b中的白色虛線圓圈表示圖4d 中所示納米域的位置。（c）從（b）中的白色圓圈放大，顯示納米域位置的旋轉(zhuǎn)條紋。(d) (c) 中白色圓圈內(nèi)矩形的線輪廓。它表明條紋與具有恰當(dāng)符號(hào)的漸變相關(guān)聯(lián)。(e) 用這兩種方法獲得的逆 FFT 圖（111）分裂點(diǎn)。

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