● 摘要
针对块体金属材料塑性变形的研究已经历时一百多年，建立起了一套比较完整的理论体系。然而当金属材料的尺度降到微米或者纳米级别时，其塑性变形具有不同于块材的特征，如超高的硬度和强度、超塑性、反霍尔-佩奇关系等。针对微纳尺度下金属材料的塑性变形机制进行研究，诸如受限的位错运动、纳米微柱中的机械退火、纳米晶粒材料中的晶界迁移和晶粒转动等，既能扩展金属塑性变形理论，又能指导新一代金属材料的开发应用，在理论上和工程上都有很大意义。
本文利用原位透射电镜技术，针对具有典型金属结构的四种金属（Mo, Ag, Co, Ti）和具有L12结构的Ni3Al金属间化合物基合金在微纳尺度下的塑性变形过程进行了研究。主要内容如下：
通过原位高分辨透射电镜观察，研究了纯银中的形变孪晶机制，发现微纳尺度下不同柏氏矢量位错的协同运动，结合分子动力学模拟，提出了一种不产生宏观切应变的形变孪晶机制。冷轧产生的孪晶尖端形成非共格孪晶界，在切应力作用下分解生成由孪生位错规则排列而成的相界面，相界面的交替运动引发孪晶生长。
研究了不同金属结构中的孪晶对于后续的塑性变形乃至裂纹扩展的影响。采用原位高分辨透射电镜在原子尺度观察了裂尖迫近孪晶时的位错滑移、位错钉扎、位错反应、滑移系改变、退孪晶以及裂纹钝化等现象，发现孪晶对于塑性变形和断裂过程的影响与受力状态和孪晶取向有关，并在不同金属结构中显现出不同的效果。纯银中的孪晶对于塑性变形和裂纹扩展有双重作用；纯钛中孪晶界上容易形成能量较低的BP和PP界面，这些界面成为孪晶台阶，提高了位错滑移阻力，产生更高的形变硬化；在塑性相对较差的纯钴和纯钼中，孪晶更有利于裂纹的形核与扩展。
研究并比较了几种金属材料中的位错行为，发现在所观察的四种纯金属材料中，位错的滑移基本上与经典位错理论相符，但在纯钼中发现位错的滑移系随应变速率、应力状态和裂尖形貌变化，如裂尖的应力场和形貌使1/2<111>位错的滑移面由倾斜于薄膜的{110}面变为垂直于薄膜的{110}面。
在原子尺度研究了纯钴FCC晶粒中由肖克利偏位错的协同运动引发的FCC-HCP相变。相同柏氏矢量的偏位错由晶界形核，每两层密排面分布一个同方向运动，形成相间排列的层错，引发晶体结构的转变。
针对L12结构的Ni3Al室温下塑性变形过程，进行了原位透射电镜研究，结果表明有序强化是Ni3Al金属间化合物基高温合金具有较高室温强度的主要机制。其塑性变形主要通过<110>位错对的滑移进行，位错对包含能量较高的反相畴界，大大提高了位错运动的阻力。