《Scripta Materialia》：原位透射电镜研究位错滑移和攀移的速度！

金属材料在高温下，位错滑移和攀移的速度不同。发生滑移时，位错速度更大。然而，这现象暂时还没通过实验验证。本研究中，通过同时确定相应的机制（滑移或混合攀移）来测量位错速度。为此，在金属间Ti-770.790Al-48.4B（at.%）合金的γ相中，通过原位透射电镜研究测量位错速度和通过立体分析确定运动平面的耦合实验。最终确定了攀移和纯滑移机制两者具有相同数量级的位错速度（在0.5-5nm/s范围内），表明在过渡温度范围内，混合攀移可以达到滑移的速度。法国图卢兹大学的研究人员将此工作以“Glide and mixed climb dislocation velocity in γ-TiA linves tigated by in-situ transmission electron microscopy”为题发表在《Scripta Materialia》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115333

位错攀移/滑移是解释高温下金属变形的经典机制之一。位错的运动涉及滑移和攀移贡献，变形速率由两者中较慢的一方控制。在这些经典理论中，攀移速度小于滑移速度，因为攀移需要空位扩散，这在蠕变条件下是一个缓慢的过程。然而，滑移和攀移过程中，位错表现出不同速度的假设尚未通过实验获得，这可能是由于位错的速度和变形机制（滑移或攀移）很难同时确定。

确定机制需要建立位错的运动平面，只能通过立体分析法完成。此工作首次使用原位TEM实验与立体分析相结合来测量位错速度，同时确定位错的运动平面。研究高温下的变形机制对于开发材料至关重要（γ-TiAl基合金承受热机械载荷），例如航空发动机中使用的热部件。

在高温下，位错运动发生在称为运动平面P的平面中。滑移和攀移分别包含在P中或垂直于P。在中间情况下（用P使任何角度不同于0°和90°），变形机制是点动位错的运动。由于其涉及攀移和滑移组件，因此有时称为混合攀移。

图1三个位错段的TEM显微照片

TiAl合金中的变形通常集中在γ相上，该相是有序的四方相L1₀晶体结构。在温度20°C至约400°C下，Peierls型摩擦力控制{111}平面，细长的螺杆段在平面上滑动，导致无柄位置之间跳跃（锁定-解锁机构）。在较高温度（400°C至600°C）下，变形涉及许多螺杆位错，对应于动态应变老化。在550°C至850°C时，攀移被激活。900°C开始发生其他机制：普通位错在非致密平面中滑移，超位错激活。然而，在上述研究中，都没有涉及滑移和攀移的速度问题。因此，在本工作中，进行了原位TEM实验，目的是同时测量位错速度并确定相应的机制，特别是建立运动平面。

图1和图2分别显示了基于确定Burgers矢量各自方向的滑移和混合攀移机制的示例以及来自TEM观察的运动平面P。运动平面P的方向是通过观察样品不同倾角处的弯曲位错获得的，假设位错的曲率是由其在运动平面中的运动引起的。因此，确定由曲线位错线定义的平面可以通过两种方法实现。第一种方法包括倾斜样品，直到位错线被视为直线段（见图1），这意味着运动平面处在边缘。但是，此种现象并不常见。因此，可以使用另一种方法。

图2用于样品不同倾斜的角度形态的位错段的TEM显微照片

这项研究首次耦合TEM原位和立体法，确定了γ-TiAl晶粒内位错的混合攀移和粘性滑移。滑移和混合攀移的速度数量级接近。位错的速度在很大程度上取决于驱动应力。然而，在原位实验中，施加在位错上的应力是否是TEM薄箔中的热效应引起的仍未知。测量方法在这里不能使用弯曲位错的线张力，因为弯曲的部分总是很快消失。然而，假设热效应引起的应力会产生实验中相当的应力值（近似临界切应力或攀移应力）。考虑到这些假设，原位研究表明滑移和混合攀移的动力学相似。这一结果与以下事实一致，即滑移和混合攀移在失效后的材料中共存，这意味着这两个位错群体的传播以相当的速度发生。

在770°C的原位实验中，发现混合边缘螺特征的位错连续滑动。因此，此机制不同于在室温下通过{111}平面跳跃滑移。其更符合溶质拖曳，其中位错滑移由位错核心中分离的间隙溶质扩散控制，如Zr。温度升高时，溶质拖曳通常在动态应变老化后发生，在400–600°C的TiAl中发生。因此，在770°C下观察TiAl中溶质拖曳控制的滑移与文献报道的结果完全一致。然而，在这种二元Ti-48.4Al-0.1B（at.%）合金中，没有故意添加溶质原子（除了B，形成TiB或TiB₂沉淀物）。然而，Ti和Al原子，可能表现出足够的迁移率，以在位错核心中分离并跟随位错的运动，诱导其连续运动。混合攀移运动的位错沿紧密堆积方向的塑性与缓慢成核有关。

图3在770°C的原位TEM实验中观察到的滑移机制示例

图4在770°C下进行原位实验后获得的TEM显微照片

图5在790°C的TEM原位实验中观察到的攀移机制示例

总之，通过滑移和混合攀移运动的位错被发现在二元近γ的Ti-48.4Al-0.1B（at.%）合金中共存（在800°C和36MPa下蠕变实验）。通过在770-790°C的原位TEM实验中测量位错速度，同时确定所涉及的运动平面，以建立出现机制（滑移或混合攀移）。发现螺旋定向位错段的纯滑移平均速度2.8nm/s，连续运动与溶质拖动机构一致。还观察到混合攀移以平均速度0.75nm/s进行，即与滑移的数量级相同。（文：早早）

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