Page 22 - 理化检验-物理分册2023年第十期

刘佳文, 等: 多层梯度超细晶粒钛的变形机制

区域内, 晶粒被严重拉长; 细长晶粒含有高密度的位 性的衍射环, 表明晶粒有明显的择优取向。以上说
错, 表明这些晶粒的塑性变形是基于位错的变形机 明这些细长晶粒在参与剪切的过程中经历了旋转和
制。该区域的选区衍射图显示了一个具有六重对称 重组。

图10 UFGTi 核心在30%应变压缩后的 TEM 形貌
分布, 其尺寸为20~200nm , 这也提高了 NG 层的

3 综合分析
延展性。有研究发现多峰微观结构也可导致高强度
3.1 变形和加工硬化行为 和良好延展性的结合。
对整个 MHSTi以及各结构层的微观形貌分 UFG 核心中较小的晶粒尺寸使晶粒沿最大剪

析表明, MHSTi 整体变形和加工硬化是各个层及 应力方向运动, 最终导致 UFG 试样因形成一个或
其层界面变形机制的叠加。 SEM 分析结果表明, 多个主要剪切带而失效。这就验证了 UFG 试样应
A / NC层中各种剪切带的成核、 发展和增殖, 使该层 力 - 应变曲线中观察到的几乎为零的加工硬化。此
适应了塑性变形。 TEM 分析结果表明, 在非晶基 外, 因为 NG 层中的晶界诱导过程是导致塑性变形
体中, 压缩载荷导致了纳米晶沉淀, 阻碍了裂纹通过 的主要原因, 但在 UFG 核心, 除了晶粒的整体晶界
非晶基体的传播。许多研究表明, 纳米晶沉淀不仅 运动外, 大尺寸晶粒内部的位错运动也贡献了一部
促进了剪切带的成核, 而且改变了剪切带的蔓延方 分加工硬化能力。

向, 有助于纳米晶的分叉和增殖。纳米晶沉淀可以 MHSTi 的硬度和弹性模量从外层到内层逐渐
在阻碍、 分支和偏转剪切带的蔓延方面发挥相似的 降低。该特性与多层的微观结构有关: 由于冷轧和
作用。在压缩过程中, 剪切带或微裂纹将首先从最 SMAT 工艺, 每个连续层间的晶粒尺寸增加, 从试
容易成核的位置开始, 裂纹的扩展将与沉淀的纳米 样表面到其核心的应变和应变速率逐渐降低 [ 26 ] 。
晶体相互作用, 导致三维剪切带发生交叉和相互作 层内和层间的机械梯度为应力转移和再分布提供了
用, 从而对裂纹的扩展产生局部限制效应。这种效 过渡区域。断裂模式从 A / NC 层中的剪切带平缓
应阻碍了几个主要剪切带失效。为了维持进一步的 地变化成 NG 层中的韧窝, 同时没有观察到分层或
变形, 不易成核的位置需要更高的应力来形成新的 其他离散断裂模式。这种界面失效方式阻止了裂纹
剪切带。因此, 引发新剪切带所需的临界应力将逐 的扩 展, 并 提 高 了 对 载 荷 的 抵 抗 力 [ 27 ] 。裂 纹 在
渐增加, 导致持续进一步变形所需的应力逐渐增加, UFG 核心和 NG 层之间的界面处偏转并停止, 并且
这就是 A / NC层中发生加工硬化的原因。 无法穿透 NG 层。
压缩后, 在 NG 层中观察到明显的晶粒生长, 加 3.2 断裂机制

载时产生的纳米颗粒生长与晶界( GB ) 活动有关。 MHSTi 试样表面的每一层都有不同的变形机
应力诱导晶界运动是 NG 材料中的一种特殊变形机 制, 结合层间的机械梯度, 每一层都影响了材料的断
制, 这与晶界处楔型位错、 旋转缺陷的形成和演化有 裂机制和裂纹扩展。 A / NC层中非晶基体微裂纹的

关 [ 24-25 ] 。在 MHSTi试样 NG 层中出现的晶粒生 扩展与变形, 导致纳米晶体间的相互作用, 减弱了局
长对该层在变形过程中发生的机械响应具有重要作 部化应变, 且微裂纹主要与剪切带有关。变形产生
用。首先, NG 层中的晶粒生长有利于延展性, 因为 的纳米晶沉淀阻碍了高应力集中位置处微裂纹的成
NG 材料的延展性通常随着晶粒尺寸的增大而提 核及其在 A / NC层中非晶基体上的扩展。尽管 A /
高; 其次, 上述层中的晶粒生长产生了晶粒尺寸正态 NC层中的微裂纹会在变形过程中率先成核, 但这
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