中科院金屬所提出晶體堆垛層錯形成機理新認識

堆垛層錯（Stacking faults）是晶體結構中不同于正常排列順序的堆垛錯排， 是金屬材料中經常出現的一種面缺陷。 對於結構相對複雜的金屬間化合物（Intermetallics）， 其內部也會出現堆垛層錯， 例如， 常見的Laves相金屬間化合物中， 其密排面往往出現層錯。 層錯的引入會導致材料局部晶體結構的改變， 進而影響到其性能。 Zircaloy-4（Zr-4）合金是一種核反應爐燃料包殼材料， 其顯微組織由微米尺寸的等軸α-Zr基體和納米尺寸的Laves析出相組成。 Laves相共有三種晶體結構， 分別為C14六方結構、C15立方結構以及C36六方結構， Zr-4合金中的第二相結構多為前兩種。

近日， 中國科學院金屬研究所瀋陽先進材料研究發展中心鈦合金研究部李閣平研究組發現，

Zr-4合金中C14結構Laves析出相中往往包含層錯， 層錯的出現使Laves相的晶體結構類型發生改變， 具體為C14結構向C36結構的轉變， 這是由於C14結構與C36結構Laves相在{0001}面堆垛方式的差異。 當C14結構Laves相的{0001}面出現堆垛層錯時， 局部晶體結構轉變為C36結構。 這一轉變是平行於{0001}面的同步剪切導致， 而這一剪切力的來源一直是科研人員討論的話題。 李閣平研究組發現， 第二相與α-Zr晶界之間的相互作用產生的釘紮力， 恰好提供了Laves第二相形成層錯的驅動力， 這一發現打開了理解層錯形成機理的全新思路。

由此可見， 晶界與納米第二相顆粒的相互作用， 是值得被關注的。 例如，

晶粒長大、晶粒變形時導致的晶界遷移， 可能會影響第二相中的亞結構， 導致第二相中線缺陷、面缺陷分佈的變化， 進而可能導致第二相顆粒中晶體結構的改變。 該研究也為第二相/晶界工程相關研究提供了參考。

相關研究成果線上發表在Nanoscale上。

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圖1.α-Zr晶界與納米第二相顆粒的相互作用

圖2.Laves相中C14與C36晶體結構的晶胞參數及二維點陣圖