金屬所等Laves相金屬間化合物位錯滑移機制研究取得進展

　　中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部葉恒強院士、杜奎研究員、博士生章煒與清華大學朱靜院士、于榮副教授等合作研究，利用球差校正電鏡發現在Laves相金屬間化合物中，位錯通過反復地在上下兩個不同的滑移面間來回跳躍，從而以波浪形狀的路徑向前滑移。這種位錯滑移機制的產生歸結于Laves相中不同原子層之間結合力的不同。這種特殊的變形機制將有利于解釋金屬間化合物在高溫變形時存在脆-韌轉變的特性。該研究結果已在Physical Review Letters (106, 165505, 2011)上發表。

　　金屬間化合物雖然具有優異的高溫力學性能，適合用作耐高溫材料，但是它們在室溫下的脆性嚴重地阻礙了其工業應用。這類材料要實現塑性變形，往往需要加熱到很高的溫度（脆-韌轉變溫度以上），位錯才可能被激活。由于金屬間化合物具有復雜和特殊的結構，位錯在其中的運動不像在金屬中那樣簡單，它們的滑移往往需要涉及幾個甚至幾十個原子的協調運動，而不僅僅是在某個固定的滑移面上簡單的剪切過程。這樣，位錯滑移的區域也由一個滑移面擴展為一個滑移區域。這樣復雜的過程需要通過高溫的熱激活降低原子間的鍵合，從而使得原子的協調運動成為可能。但是，目前還沒有足夠的實驗證據顯示這個復雜滑移過程的具體步驟，以解釋熱激活是如何促進位錯運動的。

　　科研人員利用球差校正電鏡，在原子尺度上確定了Laves相中基面不全位錯的核心結構，從而揭示了位錯在一個柏氏矢量距離上的運動是由三個階段組成的：首先，位錯在結合力較弱的滑移面上以晶體學滑移的方式移動；接著，位錯跳躍至另一個結合力較強的滑移面，以原子重整(shuffle)的方式實現三層原子的重新排列，從而避免了單純晶體學滑移會造成的高能壘狀態；最后，位錯返回到原來的滑移面，繼續晶體學滑移。由于位錯在每個柏氏矢量距離的運動中都必須經歷一次原子重整，因此位錯的運動需要熱激活的幫助才能完成。

　　另外，通過對位錯周圍的定量應變分析，研究也發現了這一特殊的位錯結構周圍具有異常的應變場分布。雖然利用Foreman模型計算出的位錯周圍的應變場分布和實驗得到的大致相符，即滑移面上半部區域是壓應變狀態，下半部區域是拉應變狀態，但是實驗得到的拉應變卻是一種花瓣形分布，與集中分布在位錯正上方的壓應變呈現非對稱的形態，甚至在位錯核心正下方沒有任何應變分布。這種奇特的應變場分布，跟這種特殊的滑移過程導致的位錯核心結構有很大關系。這也同時表明，要得到精確的位錯應變場分布，尤其是在具有復雜結構的材料中，往往需要精確地確定位錯核心結構。

　　Laves相中波狀滑移機制的發現，不僅有助于理解金屬間化合物的脆-韌轉變，也將豐富對金屬間化合物中位錯運動機制的認識，同時也擴展了對于位錯性質的認知和理解。自然界中很多脆性材料都具有比較復雜的結構，這也將預示這種波狀滑移機制有可能用于解釋更多材料的變形過程。

　　該研究得到了國家自然科學基金的資助，同時也得到了北京電子顯微鏡中心和上海超級計算中心的支持。

　　圖1波狀滑移機制的示意圖。(a)從側面顯示了位錯的滑移過程。(b)和(c)從俯視的方向顯示了原子沿著Z字形的路徑向前運動。(d)中計算模擬像(上)與實驗像(下)相互一致。(e)顯示了波狀滑移是所有可能滑移機制中能壘最低的一條路徑。

圖2 (a)利用LADIA軟件對位錯核心的高分辨像進行定量分析得到的應變分布圖，其中三角形表示了位錯核心位置。(b) 實驗和理論計算得到的應變分布的比較。