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金属所提出晶体堆垛层错形成机理新认识

堆垛层错(Stacking faults)是晶体结构中不同于正常排列顺序的堆垛错排,是金属材料中经常出现的一种面缺陷。对于结构相对复杂的金属间化合物(Intermetallics),其内部也会出现堆垛层错,例如,常见的Laves相金属间化合物中,其密排面往往出现层错。层错的引入会导致材料局部晶体结构的改变,进而影响到其性能。Zircaloy-4(Zr-4)合金是一种核反应堆燃料包壳材料,其显微组织由微米尺寸的等轴α-Zr基体和纳米尺寸的Laves析出相组成。Laves相共有三种晶体结构,分别为C14六方结构、C15立方结构以及C36六方结构,Zr-4合金中的第二相结构多为前两种。

近日,中国科学院金属研究所沈阳先进材料研究发展中心钛合金研究部李阁平研究组发现,Zr-4合金中C14结构Laves析出相中往往包含层错,层错的出现使Laves相的晶体结构类型发生改变,具体为C14结构向C36结构的转变,这是由于C14结构与C36结构Laves相在{0001}面堆垛方式的差异。当C14结构Laves相的{0001}面出现堆垛层错时,局部晶体结构转变为C36结构。这一转变是平行于{0001}面的同步剪切导致,而这一剪切力的来源一直是科研人员讨论的话题。李阁平研究组发现,第二相与α-Zr晶界之间的相互作用产生的钉扎力,恰好提供了Laves第二相形成层错的驱动力,这一发现打开了理解层错形成机理的全新思路。

由此可见,晶界与纳米第二相颗粒的相互作用,是值得被关注的。例如,晶粒长大、晶粒变形时导致的晶界迁移,可能会影响第二相中的亚结构,导致第二相中线缺陷、面缺陷分布的变化,进而可能导致第二相颗粒中晶体结构的改变。该研究也为第二相/晶界工程相关研究提供了参考。

相关研究成果在线发表在Nanoscale上。

金属所提出晶体堆垛层错形成机理新认识

图1.α-Zr晶界与纳米第二相颗粒的相互作用

金属所提出晶体堆垛层错形成机理新认识

图2.Laves相中C14与C36晶体结构的晶胞参数及二维点阵图

 

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