晶界對性能的影響

晶界對合金功能的影響機(jī)理之楊若古蘭創(chuàng)作晶界是固體材料中的一種面缺陷，根據(jù)晶界角度的大小可以分為小角晶界(0<10 )和大角晶界，亞晶界均屬小角度晶界，普通小于2°，多晶體中90％以上的晶界屬于大角度晶界.根據(jù)晶界上原子匹配好壞程度可以分為重位晶界和混亂晶界.在晶界處存在一些特殊的性質(zhì)：(1)晶界處點陣畸變大，存在晶界能.晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個自覺過程.晶粒的長大和晶界的平直化均需通過原子的擴(kuò)散來實現(xiàn)，是以，溫度升高和保溫時間的增加，均有益于這兩過程的進(jìn)行；(2)晶界處原子排列不規(guī)則，在常溫下晶界的存在會對位錯的活動起障礙感化，導(dǎo)致塑性變形抗力提高，宏觀表示為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度.晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化；高溫下則因為晶界存在必定的粘滯性，易使相鄰晶粒發(fā)生絕對滑動；(3)晶界處原子偏離平衡地位，具有較高的動能，而且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多；(4)在固態(tài)相變過程中，因為晶界能量較高且原子活動能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核.原始晶粒越細(xì)，晶界越多，則新相形核率也響應(yīng)越高；(5)因為成分偏析和內(nèi)吸附景象，特別是晶界富集雜質(zhì)原子的情況下，常常晶界熔點較低，故在加熱過程中，因溫度過高將惹起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致“過熱”景象發(fā)生；(6)因為晶界能量較高、原子處于不波動形態(tài)，和晶界富集雜質(zhì)原子

的原因，與晶內(nèi)比擬晶界的腐蝕速度普通較快?這就是用腐蝕劑顯示金相樣品組織的根據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的緣由；（7）低溫下晶界強(qiáng)度比晶粒內(nèi)高，高溫下晶界強(qiáng)度比晶內(nèi)低，表示為低溫弱化.基于上述幾點晶界的特殊性質(zhì)，使得多晶材料的塑性變形、強(qiáng)度、斷裂、脆性、疲勞和蠕變等功能與單晶材料比擬存在很大差別，即晶界分歧的特殊性質(zhì)具體體此刻了合金的分歧功能?但合金功能與晶界特性間絕不是逐個對應(yīng)的關(guān)系，而是幾種甚至是所有特性的共同感化而表示出來，分歧成分的合金在功能上也表示出各異.1晶界與塑性變形晶界對多晶體的塑性變形的影響起因于下述緣由:①晶界對滑移的障礙感化；②晶界惹起多滑移；③晶界滑動；④晶界遷移；⑤晶界偏聚.1.1晶界的阻滯效應(yīng)塑性變形次要有滑移和孿生兩種方式，而滑移和孿生進(jìn)行均須要借助位錯的活動，因為90%以上的晶界是大角度晶界，結(jié)構(gòu)復(fù)雜由約幾個納米厚的原子排列雜亂的區(qū)域與原子排列較劃一的區(qū)域交替相間而成，這類晶界本人使滑移受阻而不容易直接傳到相鄰晶界，實驗上很早就觀察到在變形過程中，位錯活動在晶界受阻，滑移線停止在晶界處，表示為晶界對滑移起障礙感化，這個景象稱為位錯在晶界塞積，圖1為鈦合金中位錯在晶界塞積的電子顯微圖.晶界對滑移的障礙感化與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于滑移零碎少的晶體，例如六方結(jié)構(gòu)晶體（如Mg，只要6個滑移系），晶界的影響很明顯，對于滑移零碎較多的晶體（例如面心和體心立方晶體，面心立方有12個滑移系，體心立方有48個滑移系），晶界對滑移的影響要小些.在低暖和室溫下變形時，因為晶界強(qiáng)度比晶粒強(qiáng)，而且晶粒間具有分歧的取向，這使得滑移的傳遞須要激發(fā)相鄰晶粒的位錯源，表示為晶粒間的取向差效應(yīng)，表示出塑性變形的障礙.多晶體的塑性變形雖然力求均勻，但是因為各晶粒的取向分歧，各晶粒之間的取向差和晶界結(jié)構(gòu)的差別，因此使得各晶粒內(nèi)部和各晶界處的變形呈現(xiàn)微觀差別，Ashby研討發(fā)現(xiàn)，因為位錯導(dǎo)致的的應(yīng)力集中，使得晶粒內(nèi)表示為均勻變形，而晶界處為非均勻變形.因為晶界對多晶體變形的障礙感化，是以當(dāng)晶粒越細(xì)，晶界所占的面積越大，對滑移的障礙感化就越大，然而這只是從晶界的角度出發(fā)，從實際情況來說，晶粒細(xì)化會提高合金的塑性，有文獻(xiàn)［1］報導(dǎo)鍛造的Mg合金通過晶粒細(xì)化后其塑性會變好，這可能和晶界添加，晶界調(diào)和性添加有關(guān)，這也能夠從蔣婷慧［2］的研討中得到證明，該研討發(fā)現(xiàn)Al-Mg合金平分歧尺寸晶粒中的位錯密度分歧，對尺寸小于10Onm的晶粒，晶內(nèi)晶界無位錯，其晶界清晰平直，而尺寸大于200nm的大晶粒，晶內(nèi)晶界存在很高密度的位錯.1.2晶界的多滑移晶界使多晶的變形變得不均勻，為了堅持相鄰晶粒之間變形的連續(xù)性，而不在晶界上發(fā)生裂紋，變形導(dǎo)致晶界附近發(fā)生多滑移（Hauser等研討晶界處的應(yīng)力集中發(fā)現(xiàn)滑移帶空間間距在幾個微米時，在鄰近晶界會發(fā)生多系滑移），為了使每一晶粒與鄰近晶粒發(fā)生調(diào)和變形，理論分析標(biāo)明：每一個晶粒至多須要5個滑移系同時開動.FCC和BCC金屬能滿足5個以上獨立的滑移系的條件，塑性通常較好.多系滑移的存在促進(jìn)了塑性變形的健康進(jìn)行，MasatakaTokuda等［3］研討了多滑移在多晶金屬中的影響，研討發(fā)現(xiàn)多滑移的存在禁止了晶粒內(nèi)部應(yīng)力的添加及塑性變形初期的裂紋，而且多滑移在隨著變形的進(jìn)行中應(yīng)力矢量與塑性應(yīng)變添加矢量之間的差別的景象消逝中起側(cè)次要的感化.1.3晶界的滑動、遷移合金在高溫變形時，除了基本的變形方式外，相鄰晶粒還會發(fā)生絕對滑動及遷移，此時晶界在高溫形態(tài)下會呈現(xiàn)軟化形態(tài)，相鄰兩晶粒在剪應(yīng)力感化下沿晶界發(fā)生的滑動稱為晶界滑動.余琨等［4］研討了鎂合金塑性變形機(jī)制，研討發(fā)現(xiàn)大尺寸晶粒塑性變形機(jī)制是鎂合金中典型的滑移和孿生機(jī)制，而在含有小尺寸晶粒鎂合金中，小晶粒通過晶粒間晶界的滑動協(xié)助大晶粒變形，兩種機(jī)制共同感化提高了合金的變形能力.晶界滑動經(jīng)常陪伴著晶界遷移，晶界遷移是因為外應(yīng)力或熱活動驅(qū)動力感化，晶界向界面垂直方向的活動，晶界遷移也是塑性的一種影響因數(shù)，M.Yu.Gutkin等⑸研討了動彈塑性變形下納米晶材料的晶界遷移，研討發(fā)現(xiàn)應(yīng)力引誘下的晶界遷移是塑性變形進(jìn)行的活動方式，晶界遷移惹起晶界應(yīng)變能的變更，而后又影響晶界的挪動有否.實驗證明，晶界遷移與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，周自強(qiáng)等［6］采取Bridgeman-Stockbarger法制取了一系列具有分歧晶界結(jié)構(gòu)參數(shù)的純Al雙晶試樣，分別測定它們在分歧加熱溫度和保溫條件下的晶界遷移距離和晶界遷移速率.實驗發(fā)現(xiàn)，晶界遷移發(fā)生于較高的加熱溫度，晶界遷移對晶界結(jié)構(gòu)很敏感，隨著晶界取向差的增大，晶界遷移距離和遷移速率添加.但是在小角度晶界和某些特殊角度晶界，其晶界遷移距離和晶界遷移速率很低，甚至為零.1.4晶界偏聚因為晶界區(qū)中的原子排列畸變較大，響應(yīng)的自在能比較高，雜質(zhì)原子或合金中的溶質(zhì)原子容易從基體擴(kuò)散到晶界導(dǎo)致晶界能降低，因為雜質(zhì)容易在晶界偏聚，普通說來晶界上雜質(zhì)的濃度要比體濃度高，但又與金屬和雜質(zhì)的品種有關(guān)，因為雜質(zhì)原子或合金元素在晶界處的偏聚使得位錯活動的障礙添加，位錯活動就越困難，從而使得塑性變形就變得更加困難.平衡偏聚濃度可用下式暗示：陳賢淼等［7］研討P的晶界偏聚濃度對塑性的影響發(fā)現(xiàn)P的晶界偏聚濃度越高，其塑性就越差，是以P的晶界偏聚是形成低合金鋼在高溫塑性變形過程中發(fā)生塑性降低的次要緣由之一.HidekiMatsuoka等［8］研討了Cu，Sn對含分歧C含量的熱塑性的影響，研討發(fā)此刻800°C和900°C之間Cu、Sn會往晶界處偏聚，隨著Cu或Sn的加入，熱塑性不竭減少，當(dāng)同時加入Cu和Sn時熱塑性達(dá)到最低.2晶界與合金強(qiáng)度從理論上講，提高合金強(qiáng)度有兩種方式，一種是完整清除內(nèi)部的位錯和其他缺陷，但在當(dāng)前的工業(yè)水平來說是不理想的，所以次要采取另一種途徑即在合金中引入大量缺陷，以障礙位錯的活動來達(dá)到強(qiáng)化后果.從而從晶界對位錯的障礙感化體現(xiàn)了晶界對強(qiáng)度改性的次要性，晶界強(qiáng)化感化次要考慮直接和間接兩種方式.直接強(qiáng)化感化是著眼于晶界本人對晶內(nèi)位錯滑移所起的障礙感化.不管是小角度晶界還是大角晶界都可以看成是位錯的集合體，從而成為直接障礙晶內(nèi)位錯活動的妨礙.這類直接強(qiáng)化感化涉及到晶界與晶格滑移位錯的交互感化，包含以下幾個方面：（1） 晶界具有短程應(yīng)力場，可障礙晶格滑移位錯進(jìn)入或通過晶界，這是一種由位錯與晶界的應(yīng)力場的交互感化所惹起的一種局部強(qiáng)化感化.對于一個無窮長的小角度晶界，因為各位錯的應(yīng)力場彼此抵消的結(jié)果，將會表示出具有短程應(yīng)力場的特點，故當(dāng)晶格位錯進(jìn)入晶界的短程應(yīng)力場時，便會受到必定的障礙感化.（2） 若晶格滑移位錯穿過晶界時，其柏氏矢量發(fā)生變更，并構(gòu)成晶界位錯（如果在第一種情況下若應(yīng)力較大時，晶格位錯可切過位錯墻，而在晶界上構(gòu)成臺階或晶界位錯.在切過后晶格位錯的相氏矢量要有所改變，其變更量稱為晶界位錯的柏氏矢量）.晶界位錯當(dāng)其具有位于晶界面的柏氏矢量時，可沿晶界滑移；而當(dāng)其柏氏矢量具有垂直于晶界面的分量時，可沿晶界攀移，在晶界位錯攀移時，要發(fā)生或接收晶格空位，當(dāng)晶界位錯與晶界中的“坎”相遇時，除非所構(gòu)成的晶界位錯從滑移帶與晶界訂交處移開，否則會惹起反向應(yīng)力障礙進(jìn)一步滑移.很可能，在部分滑移傳遞時，會構(gòu)成沿晶界位錯塞積組態(tài).這時候晶界是否流變便成為決定強(qiáng)化程度的次要身分.（3）晶格位錯也可與晶界位錯訂交發(fā)生位錯反應(yīng).其結(jié)果也使位錯活動受阻.此外，當(dāng)晶格位錯切過晶界位錯時也可與晶界位錯訂交截而構(gòu)成割階或彎折.所需附加的能量也會惹起硬化效應(yīng).若將此效應(yīng)擴(kuò)展到大角晶界時，可使晶界構(gòu)成臺階而使晶界面積添加.滑移位錯與大角晶界也會發(fā)生交互感化.除了晶界本人對晶內(nèi)位錯滑移所起的障礙感化，還有晶界發(fā)射位錯機(jī)制.晶界可以作為位錯源向晶內(nèi)發(fā)射位錯.若晶界中的“坎”或臺階本人是晶界位錯的話，在外力的感化下可發(fā)生分解反應(yīng)而生成晶格位錯.因為每個晶界位錯只能發(fā)生一個晶格位錯，這類晶界位錯源終極會衰竭.若晶界中的“坎”或臺階本人不是晶界位錯，當(dāng)沿晶界滑動的晶界位錯，碰到晶界上的“坎”或臺階時，可通過位錯反應(yīng)分解成兩個位錯.所生成的晶界位錯應(yīng)為螺形位錯，以使之交滑移而沿晶界繼續(xù)前進(jìn)，否則會惹起位錯塞積，而障礙位錯反應(yīng)及向晶內(nèi)發(fā)射位錯過程的繼續(xù)進(jìn)行.位錯塞積群的領(lǐng)先位錯可能進(jìn)入晶界，因晶界位錯塞積惹起長程應(yīng)力場，需通過攀移而使晶界位錯獲得無應(yīng)力形態(tài)的晶界.作為強(qiáng)化方式之一的細(xì)晶強(qiáng)化應(yīng)屬于直接強(qiáng)化方式，Hall-Petch關(guān)系就是在位錯塞積模型基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，根據(jù)Hall-Petch公式os=oo+kd-1/2可知，隨著晶粒半徑的減小，os增大，而從晶界的影響考慮，隨著晶粒的減小，絕對晶界所據(jù)有的空間增大，從而使得位錯活動所受的阻力增大.張明等［9］研討了高錳不銹鋼的晶界強(qiáng)化，研討發(fā)此刻固溶處理及熱軋后完整再結(jié)晶的條件下，鋼的硬度僅取決于奧氏體晶粒尺寸，硬度與奧氏體晶粒尺寸的關(guān)系為:HV=157+7.128d-1/2.2.2間接強(qiáng)化機(jī)理間接強(qiáng)化感化是著眼于晶界的存在所惹起的潛在強(qiáng)化效應(yīng)，次要有以下兩種：（1）次滑移惹起強(qiáng)化：由雙晶體模型可見，晶界的存在可惹起彈性應(yīng)變不匹配和塑性應(yīng)變不匹配兩種效應(yīng)，在晶界附近惹起多滑移.由彈性應(yīng)變不匹配效應(yīng)在主滑移前惹起次滑移時，可對隨后主滑移構(gòu)成林位錯加工硬化機(jī)制.這類先次滑移后主滑移的機(jī)制在晶界潛在強(qiáng)化中起側(cè)次要感化.塑性應(yīng)變不匹配應(yīng)力易于激發(fā)晶界位錯源，位之放出位錯而導(dǎo)致晶界附近區(qū)域快速加工硬化.（2）晶粒間取向差惹起強(qiáng)化：因為相鄰晶粒取向不問，會惹起兩者主滑移零碎取向因子出現(xiàn)差別.若大外力感化下，某一晶粒先開始滑移時，相鄰晶粒內(nèi)的主滑移零碎難于同時開動.這說明晶界附近能使活動位錯的晶體學(xué)特性受到破壞，從而惹起強(qiáng)化效應(yīng).3晶界偏聚前面曾經(jīng)論述過晶間偏聚對塑性的影響，但晶間偏聚對合金斷裂及腐蝕也會有很大的影響.雜質(zhì)在晶界上的偏聚在很大程度上影響合金的斷裂功能，某些無害雜質(zhì)在品界偏聚將極大地降低晶界結(jié)合力，在外力感化下很容易發(fā)生沿晶斷裂，YingZhang等［10］發(fā)現(xiàn)因為S偏聚的存在使得界面間的鍵減弱了，使得試樣的拉伸應(yīng)力比沒有偏聚時的存在減少了18%.他們論證在拉伸試驗時界面上S-Al原子簇的獨特性質(zhì).這些原子簇構(gòu)成類似于在大塊S中的一維鏈結(jié)構(gòu)，而且在拉伸過程中不變更直到發(fā)生斷裂，但是卻影響了晶界的結(jié)構(gòu).因為偏析的S原子只與他鄰近的少量Al原子構(gòu)成強(qiáng)鍵，導(dǎo)致晶界處的A1-S鍵變?nèi)?他們認(rèn)為實驗觀察到的Al晶粒間的脆化是因為S偏聚導(dǎo)致的晶界弱化惹起的.G.D.West等［11］的研討標(biāo)明當(dāng)稀土元素?fù)诫s到Al中時比擬較沒有摻雜的材料在晶粒大小不異時晶間斷裂的比例明顯添加.他們將他解釋為稀土元素的在晶界處的偏析減少了概況能，從而降低了晶間斷裂所做的功?然而其實不是所有元素對脆性斷裂都是無害的，D.FARKAS等［12］研討了替換元素Ni、Cr對脆性斷裂的影響發(fā)現(xiàn)Ni、Cr在晶界處的偏聚雖然也會降低晶界處的結(jié)合能，但Cr的濃度只要達(dá)到必定量時才觀察到脆斷，而Ni的影響卻幾乎沒有?而MiyoungKim等［13］通過第一性道理計算電子結(jié)構(gòu)研討了間隙N對Fe工3［110］(111)晶界的結(jié)合力的影響發(fā)現(xiàn)N提高了晶界結(jié)合能.3.2腐蝕晶間腐蝕是指金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中,晶粒鴻溝或其緊鄰區(qū)域的腐蝕速度比晶粒本體更快而導(dǎo)致晶粒間喪失結(jié)合力,以致于材料機(jī)械強(qiáng)度幾乎完整喪失的一種局部腐蝕行為.晶間腐蝕的機(jī)理之一是雜質(zhì)元素沿晶界偏析理論，李異［14］等研討316L不銹鋼的晶間腐蝕發(fā)現(xiàn)磷和硅的晶間偏聚是惹起晶間腐蝕的次要緣由，在晶間區(qū)用AES分析可以檢測到磷硅的存在而在晶內(nèi)卻檢測不到說明晶界區(qū)磷和硅的濃度與晶內(nèi)的濃度有明顯的差別.次要緣由可能是與晶內(nèi)比擬，晶界上原子排列雜亂，并有很多大小分歧的孔洞，溶質(zhì)原子處在晶界會惹起零碎畸變能降低.磷是一個概況活性元素，偏聚到晶界可降低晶界能，使零碎總的自在能降低.晶間偏聚的磷，在腐蝕開始時起引誘感化，含磷物資的溶解，僅僅是被腐蝕的材料總量的一小部分.除了晶界偏聚對腐蝕影響外，晶界處的腐蝕溝槽深度也與晶界角有很大關(guān)系.4晶界與其他功能晶界的影響除了在塑性、強(qiáng)硬度、脆性斷裂及腐蝕上有很大影響外，在高溫蠕變、脆性及疲勞等功能上均有很大影響.金屬在恒定應(yīng)力下發(fā)生的緩慢而連續(xù)的變形稱為蠕變，［15］研討了蠕變過程中的晶界位錯理論，Byung-NamKim等［16］研討了晶界滑動在蠕變中的感化，因為晶界滑動，宏觀應(yīng)變達(dá)到晶粒最大應(yīng)變的60%，而不考慮滑動則是40%.綜合來看在蠕變過程中存在兩方面的感化:①晶界滑動對蠕變的貢獻(xiàn)(高溫下占主導(dǎo))；②晶界對晶內(nèi)滑移的障礙感化(低溫下占主導(dǎo)).是以多晶材料的總?cè)渥兞繛椋簊c=es+eg式中es為晶界滑動的貢獻(xiàn)，eg為晶粒內(nèi)部位錯活動惹起的蠕變，晶界滑動和位錯的感化在塑性變形的討論中已討論過.合金的脆性和疲勞功能大多是與晶界偏聚有關(guān).參考文獻(xiàn)KamadoS,AshieT,etal.Improvementoftensilepropertiesofwroughtmagnesiumalloysbygrainrefining[J].MaterSciForum,2000,350:65-72.蔣婷慧，劉滿平等．高壓扭轉(zhuǎn)大塑性變形Al-Mg合金中的晶界結(jié)構(gòu)．材料研討學(xué)報．2014,28(5):371-379.MasatakaTokuda,HideyukiKatoh.Roleofmuti-sliponplasticbehavoursofpolycrystallinemetas.BulletinofJMSE,1986,29:708-715．余琨，黎文獻(xiàn)等．鎂合金塑性變形機(jī)制．中國有色金屬學(xué)報2005,15(7):1081-1086.M.Yu.Gutkina,I.A.Ovid'ko.Grainboundarymigrationasrotationaldeformationmodeinnanocrystallinematerials.Applied[6][7][8][9][10][11][12][6][7][8][9][10][11][12]PhysicsLetters,2005,87:1-3.周自強(qiáng)，岳雪蘭等．晶界結(jié)構(gòu)對晶界遷移的影響．刀兵材料科學(xué)與工程，1998,21(3):3-8.陳賢淼，宋申華．高溫塑性變形惹起的P非平衡晶界偏聚．物理學(xué)報，2009,58(6):183-188.HidekiMatsuoka.KoichiOsaw,etal.InfluenceofCuandSnonHotDuctilityofSteelswithVariousCContent.ISIJInternational,1997,37:255-262.張明，劉文昌．高錳不銹鋼的晶界強(qiáng)化．熱加工工藝．1995(2):9-11YingZhang,GuangHongLu,etal.WeakeningGrainBoundaryInducedbySulfurSegregation:Afirst-principlescomputationaltensiletest.Phys.Rev,2007,75.G.D.West,J.M.Pe