《Acta Materialia》：应力诱导非晶化晶内剪切带形成机理研究！

2022-08-18 13:25:24 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：在变形的橄榄石聚集体中发现了粒内非晶化剪切薄片。详细的透射电子显微镜分析在颗粒核心中捕获的粒内薄片提供了关于非晶化机制的新信息。变形场复杂且不均匀，对应于涉及模式 I、II 和 III 加载分量的剪切裂纹型不稳定性。非晶薄片的形成和扩展伴随着尖端前方晶体缺陷的形成。这些缺陷是几何必须位错、橄榄石中高应力变形的特征以及暂时解释为向错的旋转纳米域。我们表明，这些缺陷在决定非晶薄片所遵循的路径方面起着重要作用。因此，橄榄石中应力诱导的非晶化将是由与剪切不稳定性相关的直接晶体到非晶转变引起的，而不是由于强烈的初步变形导致大量缺陷的积累而导致的机械不稳定。一些薄片沿 (010) 的优先排列证明了这些平面的极限机械强度较低。

结晶固体的塑性变形通常由缺陷运动介导：点缺陷、位错或晶界。与这些传统的变形机制不同，越来越多的证据表明，在陶瓷和其他共价键结合的固体（如半导体在低温下受到冲击或变形（例如通过压痕）。最初，固态非晶化主要被认为是对压力的响应并根据热力学和机械稳定性参数进行解释。由于难以达到高压平衡结晶状态，因此提出了一种动力学上优选的转化路径。然而，早期认识到在较低压力下促进非晶化的剪切效率并导致将应力诱导的非晶化视为变形机制。然而，驱动非晶化的基本机制以及它与其他变形机制的联系仍然需要澄清。

Ovid'ko区分了两类可能的非晶化引起的变形机制。在第一种情况下，非晶化是塑性的最终阶段，是由与晶体缺陷积累相关的结构坍塌造成的。这是为具有足够延展性的金属设想的机制。例如，小池等人]观察到在室温下轧制的 NiTi 合金的非晶化。微观结构分析显示非常高的位错密度 10 17 -10 18 m -2在无定形区域附近。基于这种位错密度产生的弹性能与结晶能具有相同数量级的估计，Koike等人。得出的结论是位错积累是推动冷轧镍钛非晶化的主要力量。然而，位错的作用并不限于延展性晶体。在经受纳米压痕的超硬低氧化硼（B 6 O）中，观察到无定形带旁边的位错环导致 Reddy等人。将晶格的坍塌与剪切滑动过程中位错的积累联系起来。Reddy等人最近再次应用了该模型。解释B4C中的非晶化。Lin等人也得出了类似的结论。对于单斜晶γ -Y 2 Si 2 O 7，一种在室温下压痕的耐火陶瓷，基于非晶层的组织和性质之间的惊人相似性，以及包含位错堆积的滑带之一。位错的作用也被提出来解释共价固体的非晶化。球磨硅的电子显微镜观察表明，非晶化沿着缺陷（位错、堆垛层错）开始。从那时起，这一机制得到了证实然而，一些关于某些中间相的可能含义的讨论（金刚石-六角形，参见 He等人）。在基于分子动力学的数值研究中，Chen等人。像 Lin等人一样考虑过位错堆积在触发硅非晶化中可以起到放大作用。除了位错之外，还从理论的角度讨论了向错中弹性变形的作用，特别是变形纳米材料中的向错四极子。

Ovid'ko提出的第二种非晶化案例考虑了当其他变形机制受到抑制时，非晶化直接由高应力下的弹性不稳定性引起的可能性。确实有许多非晶化的实验证据，而没有预先形成或积累晶体缺陷。例如，在透射电子显微镜中原位压缩过程中绘制的石英微柱就是这种情况。在金属间化合物 SmCo5 中，Luo等人。通过分子动力学 (MD) 模拟证明，塑性变形可以通过非晶化剪切带的形成而产生，而无需位错。

基于此，安特卫普大学（QS世界年轻大学排名第17名）对橄榄石晶粒中中断的非晶化剪切薄片的表征提供了有关应力诱导的非晶化机制的信息。非晶化的机械起源由位移场的复杂（和异质）形状指示，其中涉及模式 I、II 和 III 中的加载分量。我们表明，非晶化确实伴随着晶体缺陷的形成，但数量和配置不足以成为机械不稳定性的原因。我们宁愿将这些缺陷（它们是 GND 和可能的向错）的形成解释为驱动晶体结构机械不稳定性的非常高应力的证据。这些缺陷的形成强调了导致非晶化的应力场的复杂模式。它们强烈控制传播薄片所遵循的路径。在某些特定情况下，无定形薄片的传播在晶体学上受到非常好的控制，优选 (010) 平面，这表明这些平面的极限机械强度较低。

相关研究成果以题“On the formation mechanisms of intragranular shear bands in olivine by stress-induced amorphization”发表在增材制造顶刊Acta Materialia上。

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

图 1.橄榄石中的晶内非晶化剪切带。(a) 从 GB 三联结成核并在 1050 °C 和 0.3 GPa 变形的样品中的晶粒内停止的剪切带的 HAADF-STEM 图像。(b) 从 (a) 中的白色方块放大，显示带的无定形性质。右上方插图中的 FFT 显示了区域轴的索引，而右下方插图中带有 002 的 IFFT 证实了这些平面在薄片上的剪切。(c) 衍射对比暗场 TEM 图像显示在 1200°C 和 5 GPa 下变形的样品中的非晶化剪切带。位错微观结构与剪切带之间没有关系。(d) 来自 (c) 的 HRTEM 图像显示沿带存在台阶。（e）和（f）OK边缘和Mg-K边缘分别在晶体和剪切带中的EELS光谱。

图 2.在 1050 °C 下变形的 NF1050-1 样品中由非晶化剪切带引起的位移场的表征。(a) 从无定形 GB 边缘的非晶化剪切带成核的高分辨率 ABF-STEM 图像。(b) 从 (a) 中的白色方块放大，显示成核部位的面内剪切的幅度和方向（模式 II）。(c) (a) 中红色、蓝色和绿色方块的三个 FFT。红色和绿色 FFT 中光点的旋转（参见下图中的红线和绿线）证实了模式 I 的存在，而这些 FFT 中光点强度的差异与平面外一致剪切（模式 III）。(d) (a) 中同一区域的 HAADF-STEM 图像。(e) 从 (d) 中的白色方块放大，显示带内存在结构异质性。

图 3.沿图 2的非晶化剪切带观察旋转纳米域。(a) 离带尖端不远的高分辨率 ABF-STEM 图像几乎是从侧面观察的。（a）中正方形 1 的 FFT 显示了能带的无定形特征，而正方形 2 的 FFT 显示了谱带的分裂点。(b) 在 (a) 中的 ABF-STEM 图像与带有额外斑点的虚拟暗场图的叠加。它显示了与该点相关的旋转纳米域沿带的位置。(c) 从 (b) 中的白色方块放大，显示纳米域位于晶体和非晶化剪切带之间的界面处。(d) 在同一剪切带的相邻区域使用相同的程序。它显示了 3 个旋转纳米域的存在，这些旋转纳米域与 (d) 的 FFT 中的三个不同点相连。

图 4.图 2剪切带传播机制的表征。(a) 剪切带尖端的高分辨率 ABF-STEM 图像。(b) GPA 幅度图对应于（111）（a）中的平面显示了带的尖端和尖端之前的一些位错。请注意，提示遵循两条不同的路径。(c) GPA 应变图(a) 中，X 对应于（112）方向和 Y 对应于（130）方向。它显示在 SB 的尖端存在三个位错 (D1-D2-D3) 和在尖端之前的三个其他位错 (D4-D5-D6)。(d) (a) 中的 ABF-STEM 图像与 (c) 的 GPA 图和带有额外的虚拟暗场图的叠加（111）点在（e）的FFT中。该 FFT 属于 (a) 中的白色方块。(d) 确认沿路径 2 在剪切带尖端之前存在旋转纳米域。(f) (a) 中的 GPA 旋转图。它表明六个位错（D1-D6）位于两个区域之间的界面处，具有刚性的面内旋转。(g) 示意图显示了基于 (af) 中所示的观察结果控制剪切带传播的机制，更多详细信息请参见讨论部分。红色三角形代表可能在纳米域起源处的向错。

图 5.剪切带尖端位错的 Burgers 矢量表征。(a、b、c 和 d) GPA 应变图和旋转图，分别来自图4中的图像（a），X对应于（112）方向和 Y 对应于（130）方向。注意 GPA 应变图中没有位错 D1-D6 和 X1 应变表明这些位错是[001]位错。

图 6.图 4 d中带端旋转缺陷性质的表征。(a) 和 (b) GPA 剪切应变和旋转图分别来自图4a（'X' 对应于 021 而 'Y' 对应于两个（111）分裂点）。图6a和6b中的白色虚线圆圈表示图4d 中所示纳米域的位置。（c）从（b）中的白色圆圈放大，显示纳米域位置的旋转条纹。(d) (c) 中白色圆圈内矩形的线轮廓。它表明条纹与具有恰当符号的渐变相关联。(e) 用这两种方法获得的逆 FFT 图（111）分裂点。

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