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中科院金属所《Script Mater》:观察到了U形层错结构!

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编辑推荐:本研究在锆合金第二相中首次观察到的非典型的特殊U型层错,并对其形成机制进行的讨论。不同于现有文献报道的锆合金第二相内部直线型层次错或者交叉层错,首次观察到了更加复杂的U型层错,并根据相关观察结果提出了一个几何模型对这种缺陷的形成机制进行了讨论。相关研究结果对于理解晶体内部复杂层错结构具有一定的学术意义。

锆合金中的第二相为AB2型的Laves相,当不全位错在两个或者多个滑移面上同时开启或者交替滑移时,晶体内部就有可能存在多个方向的层错,但是一直以来,观察到的层错都是直线型的结构。直至2019年,袁福森等人在C15结构的Zr(Fe,Cr)2 Laves相中观察到了交叉层错(相关文献见Applied Surface Science 513, 2020, 145712),诠释了锆合金第二相晶体内部可能存在两个方向层错的真实性。迄今为止,尚未在锆合金第二相中发现其他类似复杂形状的层错结构。

中国科学院金属研究所李阁平研究员团队在对一种新型锆合金(添加Si元素改性的Zr-4合金,其成分为
Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr-0.3Si,wt.%)中纳米析出相微观特征进行研究时,观察到Zr2Si纳米析出相上存在特殊的U型状缺陷,经过电子衍射分析确定缺陷为层错(Stackingfaults)。该团队研究人员借助高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对Zr2Si第二相中这种U型层错的微观特征以及形成机制进行了深入研究。研究发现,U型层错结构的直线段只发生了(100)或者(010)单一晶面上的原子错排,即常见的单一方向的层错;而缺陷的弯曲部分,同时发生了(100)和(010)两个相互垂直晶面的原子错排。基于现有实验结果,该团队提出了一种几何模型,认为是由于Zr2Si第二相的(100)和(010)晶面层错在局部微观区域交替产生,并首尾依次连接,最终导致缺陷在宏观上呈现U型状。

该现象的发现具有偶然性,但是其中包含的必然性对于理解晶体内部复杂层错结构具有一定的学术意义,并对预测锆合金反应堆服役条件下的腐蚀微观机制存在潜在价值。相关研究工作由金属研究所的韩福洲博士研究生(第一作者)、袁福森博士研究生(共同第一作者)、李阁平研究员(通讯作者)等完成。相关工作以题为“A typical U-shape micro-stacking faults within body-centered tetragonal Zr2Si nanoparticle in silicon modified Zircaloy-4 alloy”发表在Scripta Materialia。

论文链接:

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

中科院金属所《Script Mater》:观察到了U形层错结构

中科院金属所《Script Mater》:观察到了U形层错结构

图1锆合金中Zr2Si纳米析出相的元素组成及其选取电子衍射结果

中科院金属所《Script Mater》:观察到了U形层错结构

图2(a) NP1纳米析出相[001]晶体方向的选取电子衍射结果;(b) 图1a中NP1第二相上U型缺陷的局部放大图 (c)-(f)沿[001]方向U型缺陷不同位置处的HRTEM图像;(c1)-(f1)图2c-f中方框区域的对应FFT图像

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图3 Zr2Si 纳米析出相NP1中U型层错不同区域的IFFT图像

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图4 Zr2Si纳米析出相NP2中U型层错结构的高分辨及相应的IFFT图像

中科院金属所《Script Mater》:观察到了U形层错结构

图5 不同结构的层错形成机制模型示意图(a)单一方向简单层错;(b)交叉层错(c)复杂U型层错

*(文:奋斗的小青年)

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