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中科院金屬所《Script Mater》:觀察到了U形層錯結構!

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編輯推薦:本研究在鋯合金第二相中首次觀察到的非典型的特殊U型層錯,并對其形成機制進行的討論。不同于現有文獻報道的鋯合金第二相內部直線型層次錯或者交叉層錯,首次觀察到了更加復雜的U型層錯,并根據相關觀察結果提出了一個幾何模型對這種缺陷的形成機制進行了討論。相關研究結果對于理解晶體內部復雜層錯結構具有一定的學術意義。

鋯合金中的第二相為AB2型的Laves相,當不全位錯在兩個或者多個滑移面上同時開啟或者交替滑移時,晶體內部就有可能存在多個方向的層錯,但是一直以來,觀察到的層錯都是直線型的結構。直至2019年,袁福森等人在C15結構的Zr(Fe,Cr)2 Laves相中觀察到了交叉層錯(相關文獻見Applied Surface Science 513, 2020, 145712),詮釋了鋯合金第二相晶體內部可能存在兩個方向層錯的真實性。迄今為止,尚未在鋯合金第二相中發現其他類似復雜形狀的層錯結構。

中國科學院金屬研究所李閣平研究員團隊在對一種新型鋯合金(添加Si元素改性的Zr-4合金,其成分為
Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr-0.3Si,wt.%)中納米析出相微觀特征進行研究時,觀察到Zr2Si納米析出相上存在特殊的U型狀缺陷,經過電子衍射分析確定缺陷為層錯(Stackingfaults)。該團隊研究人員借助高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)對Zr2Si第二相中這種U型層錯的微觀特征以及形成機制進行了深入研究。研究發現,U型層錯結構的直線段只發生了(100)或者(010)單一晶面上的原子錯排,即常見的單一方向的層錯;而缺陷的彎曲部分,同時發生了(100)和(010)兩個相互垂直晶面的原子錯排?;诂F有實驗結果,該團隊提出了一種幾何模型,認為是由于Zr2Si第二相的(100)和(010)晶面層錯在局部微觀區域交替產生,并首尾依次連接,最終導致缺陷在宏觀上呈現U型狀。

該現象的發現具有偶然性,但是其中包含的必然性對于理解晶體內部復雜層錯結構具有一定的學術意義,并對預測鋯合金反應堆服役條件下的腐蝕微觀機制存在潛在價值。相關研究工作由金屬研究所的韓福洲博士研究生(第一作者)、袁福森博士研究生(共同第一作者)、李閣平研究員(通訊作者)等完成。相關工作以題為“A typical U-shape micro-stacking faults within body-centered tetragonal Zr2Si nanoparticle in silicon modified Zircaloy-4 alloy”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114051

中科院金屬所《Script Mater》:觀察到了U形層錯結構

中科院金屬所《Script Mater》:觀察到了U形層錯結構

圖1鋯合金中Zr2Si納米析出相的元素組成及其選取電子衍射結果

中科院金屬所《Script Mater》:觀察到了U形層錯結構

圖2(a) NP1納米析出相[001]晶體方向的選取電子衍射結果;(b) 圖1a中NP1第二相上U型缺陷的局部放大圖 (c)-(f)沿[001]方向U型缺陷不同位置處的HRTEM圖像;(c1)-(f1)圖2c-f中方框區域的對應FFT圖像

中科院金屬所《Script Mater》:觀察到了U形層錯結構

圖3 Zr2Si 納米析出相NP1中U型層錯不同區域的IFFT圖像

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圖4 Zr2Si納米析出相NP2中U型層錯結構的高分辨及相應的IFFT圖像

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圖5 不同結構的層錯形成機制模型示意圖(a)單一方向簡單層錯;(b)交叉層錯(c)復雜U型層錯

*(文:奮斗的小青年)

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