文献标识码: A
文章编号: 0412-1961(2016)02-0249-08
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收稿日期: 2015-06-15
网络出版日期: 2016-02-20
版权声明: 2016 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
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作者简介: 吴松全, 男, 1983年生, 博士
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摘要
针对体心立方(bcc)结构金属及合金{112}<111>孪生的ω点阵机制, 利用点阵模型详解了bcc结构金属及合金{112}<111>孪晶形核、长大和终止全过程. 模型揭示了孪晶可以通过ω→bcc转变过程形成孪晶核胚, 再通过孪晶核胚生长或合并的方式长大, 最终与特殊位向ω相作用受阻而停止. 该机制说明了{112}<111>类型孪晶是一种相变孪晶.
关键词:
Abstract
{112}<111>-type twin is a common twinning structure in quenched carbon steel. As carbon content increases, the density of the twin becomes high in the quenched state. Researchers have suggested that understanding such twinning mechanism may help us to understand the martensitic transformation in steel. {112}<111>-type twin is also commonly observed in other body centered cubic (bcc) metals and alloys, especially deformed under the conditions of low temperatures and/or high strain rates. Yet, due to the intrinsic non-close-packed structure and the rapid speed of twinning process, the mechanisms of twinning nucleation, growth and termination have not been clearly understood although phenomenological mechanisms such as the classical shearing mechanism, dislocation mechanism, or shuffling mechanism, etc., were proposed. Recently, after reviewing numerous investigations on {112}<111>-type twinning process both experimentally and theoretically in bcc metals and alloys, it was found that the twinning boundaries are always embedded with ω phase, i.e., the displacement of the first layer of the twin is 1/12 <111> for ω instead of 1/6 <111> for twin, thus, an ω phase-related {112}<111>-type twinning mechanism (so-called ω lattice mechanism) in our previous study is proposed. In order to better understand the ω lattice mechanism, in this work, a detailed description of the whole process of nucleation, growth and termination of the {112}<111>-type twinning was offered by using the atomic lattice model. The model shows that the twin could nucleate during ω→bcc transition process, and then grow up by extending or merging of twin embryos, and finally terminate during encountering the different ω variants. Such two-dimensional atomic model can be extended to three-dimensional one, which can finally explain the formation mechanism of an internal twin in one bcc crystal. Moreover, the model suggests that the diffuse ω lattice (ωdiff) between the ideal ω lattice and bcc lattice (in the twin boundary) plays an important role in promoting the transition of ω↔bcc during twinning nucleation and growth processes. The results suggest that the {112}<111>-type twins are phase transition twin or phase transformation product.
Keywords:
孪晶是一种具有镜面对称关系的2部分晶体组合, 是材料学中一种常见的晶体间特殊位向关系. 孪晶的形成过程称为孪生, 根据其形成方式不同可归纳为生长孪生(如自然孪晶、退火孪晶和相变孪晶等)和机械孪生(或称变形孪生) 2类. 尽管孪生现象在材料学领域已有上百年的研究历程, 但限于原位孪生信息获取的困难, 关于孪生机制的唯象讨论与研究仍是当前的热门课题[1-4].
{112}<111>类型孪生是体心立方(bcc)结构金属及合金中最为常见的孪生类型, 很早就在Fe中发现, 俗称纽曼带(Neumann bands)[5], 淬火态中高碳马氏体钢中存在大量这种孪晶, 在钢铁材料中这种马氏体一般被称为孪晶马氏体[6]. 与密堆(cp)结构金属(如面心立方(fcc)和密排六方(hcp)结构金属)相比, bcc结构属于非密堆结构, 其层错能较高, 因此, 若要解释bcc结构金属中的孪生现象[7-10]很难像解释cp金属中的孪生[1,11]一样容易. 实际上, 孪生解释复杂性的增加往往要以增加孪生附加条件(如增加过程假设或设定过程路径等)为代价, 这在一定程度上限制了孪生模型的适用范围, 相应地, 这些孪生模型只有在特殊条件时才会发挥作用, 缺乏普适意义.
本文作者通过研究bcc-Ti中的一种亚稳ω相发现, bcc-Ti中{112}<111>孪晶与ω相有着密不可分的关系; 同时, 从大量关于bcc结构金属及合金的文献[12-22]中发现, ω相并非IVB族Ti, Zr和Hf金属及其合金独有, ω相很可能会较普遍地存在于bcc结构金属及合金中, 并且从已知结果中[12-22]也发现了{112}<111>孪晶与ω相的密切联系; 另外, 早期关于bcc结构金属及合金中{112}<111>孪生界面非“sharp”的界面信息也暗示其中的ω点阵信息[23,24]. 基于这些实验现象, 本文作者在bcc结构金属及合金中提出了{112}<111>类型孪晶形成的ω点阵机制[25], 该机制可以解释在无内、外应力或应变情况下, 无位错参与的孪晶形核、长大和停止过程, 并从实验和理论上给予了证明. 本工作针对bcc结构金属及合金中{112}<111>孪生的ω点阵机制, 运用点阵模型图解{112}<111>孪生和ω转变, 介绍{112}<111>孪生途经ω点阵的必然性, 再进一步详解bcc结构金属及合金中{112}<111>孪晶形核、长大和终止的ω点阵机制.
{112}<111>孪生是bcc
图1 {112}<111>孪生过程
Fig.1 Schematic of the classical shear model of {112}<111>-type twinning in bcc crystals (The solid ● and open ○ circles represent atoms in the adjacent
ω相已在多种bcc结构金属及合金中发现[12-22], 其中在IVB族Ti, Zr, Hf金属及其合金中研究得较早也较多. ω相可在多种状态下从bcc基体中析出[26-30], 并多以纳米尺度弥散分布在bcc基体中(特殊状态下也会呈片层状[12,17]). ω相受热容易粗化并最终转变成为稳定相, 因此常压状态一般是亚稳相. ω相与bcc基体有着严格的位向关系: [111]bcc//[0001]ω,
由于常见ω相的尺寸很小, 析出或分解速度迅速, 与孪生一样, 其相变本质也尚未清楚. 忽略相变过程原子移动的真实物理过程, 目前被普遍接受的模型是“ω崩塌模型”[30], 具体过程如图2所示. 图中I区为bcc点阵, 根据ω相与bcc基体的取向关系, 相应地, II区和III区分别为ωdiff点阵和ωideal点阵. 在bcc→ω转变前, bcc点阵(111)面的堆垛顺序为“…ABCABC…” (I区); 转变时, BC面将相向崩塌, 崩塌距离为
图2 bcc→ω转变
Fig.2 Schematic of the ω formation in bcc matrix (Zones I~III represent bcc lattice, diffuse ω lattice and ideal ω lattice, respectively. The stacking sequence of (111) plane in bcc lattice was “…ABCA…”. An ideal ω lattice formed after layer B and layer C totally collapsing to one layer B', and a diffuse ω lattice formed after layer B and layer C partially collapsing to layer B' and layer C'. The green zone and the light green zone stand for the diffuse ω lattice and the ideal ω lattice, respectively (similarly hereinafter))
通过比较图1中bcc点阵{112}<111>孪生方向与图2中bcc点阵向ω点阵转变的原子崩塌方向, 可以发现二者是一致的, 均为<111>方向, 差别仅是原子移动的距离不同. 对于{112}<111>孪生, 文献[32]中也曾提出过“孪生崩塌模型”, 原子崩塌方向与“ω崩塌模型”方向一致, 只是相邻(111)面相向崩塌的距离是“ωideal崩塌模型”的2倍, 即
利用点阵模型描述上述过程, 如图3所示. 图中I区为bcc点阵, II~V区分别为崩塌距离小于
图3 {112}<111>孪生与ω转变间的关系
Fig.3 Schematic of the relationship between {112}<111> twinning and ω phase transition (Zones I~V represent bcc matrix lattice, diffuse ω lattice (ωdiff), ideal ω lattice (ωideal), diffuse ω lattice (ω'diff) and
由上述图解分析可知, ω点阵机制是基于ω相形成的崩塌机制和bcc→ω→bccT转变过程提出的. bcc结构金属及合金中的{112}<111>孪生的形核、长大和停止的整个过程可以通过ω点阵机制进行解释, 即可以通过ω→bccT转变过程形成孪晶核胚, 通过孪晶核胚的生长或孪晶核胚的合并促使孪晶长大, 再通过孪晶与特殊位向ω作用受阻而最终停止.
首先, 根据bcc点阵与ω点阵的取向关系((111)bcc//(0001)ω,
在图4a中, 2种可能孪生面(121)和
{112}<111>孪晶长大是通过孪晶核胚沿孪晶面的扩展和沿孪晶面垂直方向的增厚实现: (1) 孪晶核胚通过bcc→ω→bccT转变持续地增厚、变长(图4c); (2) 通过ω→(bccM+bccT)转变形成孪晶, 再沿孪晶面方向扩展, 但由于孪晶在厚度方向互相限制(图4d), 所以只能通过相邻孪晶合并的方式增厚; (3) 先通过bcc→ω→bccT转变在基体不同区域形成核胚, 再通过核胚生长而最终合并的方式实现孪晶的增厚、变长.
根据大量bcc基体弥散分布的ω相实验结果[12-22]和崩塌式的bcc→ω转变特征, {112}<111>孪晶长大更易通过ω相内孪晶核胚合并的方式长大, 具体过程见图5. 图5a表示bcc基体通过bcc→ω→bccT转变在基体不同区域形成的
孪生前沿, {112}<111>类型孪晶不可避免地要与除基体以外的其它物相或缺陷相遇, 特别是基体内分布的ω变体, 此时孪晶选择穿越这些“障碍”继续生长, 或改变生长方向, 或停靠在障碍物前沿停止生长等. 本工作仅讨论{112}<111>类型孪晶与其生长前沿不同ω变体交互作用的情况和特征.
对于任何一个ω变体, 如ω1 (cω1//[111]bcc), 当发生bcc→ω转变时, 根据(111)面崩塌的模式不同(图2中I区所示原子), 实际还存在3种亚变体, 分别记为ω11 (A面保持不动, BC面崩塌, bcc→ωideal原子平移模式为: 0, +1/12[111], -1/12[111]), ω12 (B面保持不动, CA面崩塌, bcc→ωideal原子平移模式: -1/12[111], 0, +1/12[111])和ω13 (C面保持不动, AB面崩塌, bcc→ωideal原子平移模式为: +1/12[111], -1/12[111], 0). 相应地, ω2, ω3和ω4也会对应各自3种亚变体, 与ω1的亚变体可以统一记为ωij (i=1, 2, 3, 4; j=1, 2, 3). 这样, 处理{112}<111>类型孪晶与ω的作用问题, 实际就是处理{112}<111>类型孪晶与12个ωij变体的作用问题. 仍然以
表1
Table 1 Atomic displacement in ωij lattice for
ωij | ωi1 | ωi2 | ωi3 |
---|---|---|---|
ω1j | 0, 1/12[111], -1/12[111] | 1/12[111], 1/6[111], -1/4[111] | -1/12[111], 1/4[111], -1/6[111] |
ω2j | 0, 1/12[311], -1/12[311] | 1/12 | -1/12 |
ω3j | 0, 1/12[113], -1/12[113] | 1/12 | -1/12 |
ω4j | 0, 1/12[131], -1/12[131] | 1/12 | -1/12 |
目前已证实, ω相在大量过渡族bcc结构金属及合金中存在, 如钛合金[12,13]、锆合金[14,15]、铪合金[16]、钽合金[17]、铬合金[18]、Mo[19]及铁基合金[20-22]中, 这预示着ω相在bcc结构金属及合金中具有普遍存在的特性. 由于ω转变只需bcc点阵原子1/12<111>平移, 因此, 无论对于孪生所需的1/6<111>平移, 还是全位错滑移所需的1/2<111>平移, ω转变实际具有更微元的性质, 即所需原子位移更短、能量更低. 在bcc结构金属及合金体系中, ω相的析出与分解是受bcc点阵稳定性支配的, 而{112}<111>孪生是由ω点阵再次失稳后发生ω→bcc逆转变支配的, ω点阵与bcc点阵相对稳定性的变化对体系中{112}<111>孪生会产生重要影响. 在IVB族钛合金、锆合金和铪合金的特定成分区域内, ω相可在常压状态经固溶淬火处理或时效处理得到, 此时体系中是否容易出现{112}<111>孪晶是由ω→bcc逆转变的难易决定的, 即ω点阵越容易失稳, 或者说ω点阵与bcc点阵稳定性差异越小, 孪生就越容易发生, 反之越难. 而在Ti, Zr, Hf纯金属和高成分区域以及其它bcc结构金属及合金中, 此时bcc点阵稳定性要高于ω点阵, ω相在常压状态并不容易得到, {112}<111>类型孪生也不容易发生. 不过, 如果上述金属及合金经历高速应变或高压变形等特殊处理后, 亚稳ω相就有可能被保留到常压状态[17], 此时ω点阵相对于bcc点阵是不稳定的, ω→bcc逆转变显得更加容易, 因此体系中常有{112}<111>类型孪生结伴而生. 如果金属及合金体系中bcc点阵的稳定性明显高于ω点阵, 合金经历特殊处理后{112}<111>类型孪生一般可以保留到常压状态, 但大块、完整的ω相却很难保留, 只能在孪晶界面处观察到ω点阵的痕迹, 即孪晶界面两侧原子残留相对1/12<111>位移, 此时孪晶界面已非完整、平滑的完美孪晶界面[23,24]. 实际上, 在bcc结构体系中, 任何能够稳定ω点阵的因素都将不利于{112}<111>类型孪晶的产生, 而降低ω点阵与bcc点阵稳定性差异的因素将促进{112}<111>类型孪晶的形成.
{112}<111>类型孪晶普遍存在于淬火态的中高碳钢中, 钢中马氏体相的形成(马氏体相变)与这种孪晶的形成过程有诸多相似性, 人们一直将这2个问题的研究紧密地结合在一起[33,34]. 本工作的孪晶形成机制可能为钢中马氏体相变过程提供一个全新的理解[35,36].
利用点阵模型详细描述了bcc结构金属及合金中{112}<111>孪生ω点阵机制的全过程. 孪晶形核可以通过ω→bcc转变在ω点阵内部形成孪晶核胚, 或在ω点阵内部形成呈孪晶关系的基体和孪晶核胚. 孪晶生长可以通过与孪晶相邻的基体点阵持续发生bcc→ωdiff, ωdiff→ωideal, ωideal→ω'diff, 及ω'diff→bccT等微转变方式生长, 或采取弥散于基体中的孪晶核胚长大、合并方式增厚、延长. 孪晶与除自身析出ω相变体之外的其他ω变体相遇时, 生长阻力将增大, 以致最终停止. 特别地, 在孪晶形成过程, 介于bcc点阵与ωideal点阵的ωdiff点阵可以有效协调bcc点阵与ωideal点阵间的失配程度, 在ω点阵机制中起到关键作用. 该机制与位错, 应力和应变无关. {112}<111>型孪晶是非热ω→bcc相变产物.
The authors have declared that no competing interests exist.
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