西南科大熊政伟课题组《MSEA》：高应变速率下位错与高低角度晶界响应机制

近期，西南科技大学理学院的熊政伟副教授团队与中国工程物理研究院流体物理研究所高志鹏副研究员团队合作发表了关于高应变速率下位错、低角度晶界和高角度晶界的响应机制的研究成果，相关论文以“The response of dislocations, low angle grain boundaries and high angle grain boundaries at high strain rates”为题在Materials Science & Engineering A上发表。文章以刘倩为第一作者（研究生），熊政伟副教授和高志鹏副研究员为通讯作者共同完成。利用轻气炮对45#钢进行冲击压缩，研究了低高应变率和高应变率下45#钢的结构演化过程。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141704

材料在机械载荷作用下的结构演化对理解和提升材料的性能至关重要。对于金属和合金材料，塑性变形过程中的力学性能和应变硬化行为高度依赖于准静态和动态压缩加载速率。在准静态加载过程中，相对较低的应变速率(10^-4-10 s-1)促使金属的组织转变主要发生在低角晶界(LAGBs)和高角晶界(HAGBs)之间，其形变机制可归因于晶粒细化和动态再结晶。而关于位错与LAGBs之间的低应变率响应机制的研究还较少。

另一方面，在动态加载过程中通常采用霍普金斯杆 (10^2-10^4 s-1)、化爆加载(10^4-10^5 s-1)和轻气炮(10^5-10^6 s-1)加载来研究金属材料的变形行为，主要用于揭示各种金属材料的位错与孪晶界(TBs)之间的关系。过去的研究表明，钢在动态加载下的行为与准静态加载下的行为有很大的不同，说明钢的结构变化可能与应变率有关。但是对位错、LAGBs和HAGBs对高应变率依赖关系的研究较少，这三种微观结构因素之间的演化机制也不清楚。

本文发现了沿冲击波压缩方向，不同的应变速率下形成了不同的梯度结构，系统分析了位错、LAGBs和HAGBs对不同应变率的依赖关系。

图1(a)初始45#钢的光学组织，(b)低应变率试样，其I区和II区分别如图(c)和(d)所示；(e)高应变率样品，其I区、II区和III区分别如图(f)、(g)和(h)所示。

图2(a)初始45#钢的SEM图；低应变率下45#钢形成的两个梯度区域SEM图：(b)非晶I区和(c)变形II区；高应变率下45#钢形成的三个梯度区域SEM图：(d)非晶I区，(e)变形II区和(f)二次变形III区。插图代表白色方框的放大区域，其中局部马氏体(M)标注在图4(f)中。

图3(a)低应变率和(b)高应变率下45#钢的晶界图。低应变率下(c)Ⅰ、(d)Ⅱ区和高应变率下(e)Ⅱ、(f)Ⅲ区的取向差分布图。

图4不同应变速率下，(a)初始、(b-d)低应变速率和(e-g)高应变速率样品的微观组织演变示意图。图中黑色、灰色、绿色和蓝色线分别代表晶界、位错、LAGBs和HAGBs。

本研究表明，在高应变速率下，位错会更容易转变形成LAGBs，而LAGBs很难转化为HAGBs。在低应变速率下，LAGBs更倾向于转变为HAGBs。这主要是因为：在低应变率下，由于有足够的时间来完成位错®LAGBs ®HAGBs的转变，从而获得了相对较多的HAGBs，这与静态压缩类似。而在的高应变速率下（3.3×10^6 s-1），更大的压缩能导致更多的位错。大量位错重新排列，形成更多的LAGBs。高应变率下反应时间较短，导致LAGBs→HAGBs过程不完全，进而保存了大量LAGBs。因此我们推测在高应变率下，位错→LAGBs的响应时间比LAGBs→HAGBs的响应时间更短。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持