晶界对性能的影响之欧阳物创编.docx

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晶界对性能的影响之欧阳物创编

晶界对合金性能的影响机理

时间：

2021.02.07

命题人：

欧阳物

晶界是固体资料中的一种面缺陷，根据晶界角度的年夜小可以分为小角晶界（θ<10°）和年夜角晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°，多晶体中90％以上的晶界属于年夜角度晶界。

根据晶界上原子匹配优劣水平可以分为重位晶界和混乱晶界。

在晶界处存在一些特殊的性质：

（1）晶界处点阵畸变年夜，存在晶界能。

晶粒的长年夜和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。

晶粒的长年夜和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行；

（2）晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表示为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。

晶粒越细，资料的强度越高，这就是细晶强化；高温下则由于晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动；（3）晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快很多；（4）在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较年夜，所以新相易于在晶界处优先形核。

原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高；（5）由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，招致“过热”现象产生；（6）由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐化速度一般较快。

这就是用腐化剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属资料在使用中产生晶间腐化破坏的原因；（7）高温下晶界强度比晶粒内高，高温下晶界强度比晶内低，表示为高温弱化。

基于上述几点晶界的特殊性质，使很多晶资料的塑性变形、强度、断裂、脆性、疲劳和蠕变等性能与单晶资料相比存在很年夜差别，即晶界不合的特殊性质具体体现在了合金的不合性能。

但合金性能与晶界特性间绝不是一一对应的关系，而是几种甚至是所有特性的共同作用而表示出来，不合成分的合金在性能上也表示出各异。

1晶界与塑性变形

晶界对多晶体的塑性变形的影响起因于下述原因:

①晶界对滑移的阻碍作用；②晶界引起多滑移；③晶界滑动；④晶界迁移；⑤晶界偏聚。

1.1晶界的阻滞效应

塑性变形主要有滑移和孪生两种方法，而滑移和孪生进行均需要借助位错的运动，因为90%以上的晶界是年夜角度晶界，结构庞杂由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界自己使滑移受阻而不容易直接传到相邻晶界，实验上很早就观察到在变形过程中，位错运动在晶界受阻，滑移线停止在晶界处，表示为晶界对滑移起阻碍作用，这个现象称为位错在晶界塞积，图1为钛合金中位错在晶界塞积的电子显微图。

晶界对滑移的阻碍作用与晶体结构有关，对滑移系统少的晶体，例如六方结构晶体（如Mg，只有6个滑移系），晶界的影响很明显，对滑移系统较多的晶体（例如面心和体心立方晶体，面心立方有12个滑移系，体心立方有48个滑移系），晶界对滑移的影响要小些。

在高温和室温下变形时，由于晶界强度比晶粒强，并且晶粒间具有不合的取向，这使得滑移的传递需要激发相邻晶粒的位错源，表示为晶粒间的取向差效应，表示出塑性变形的阻碍。

多晶体的塑性变形虽然力求均匀，可是由于各晶粒的取向不合，各晶粒之间的取向差以及晶界结构的差别，因而使得各晶粒内部以及各晶界处的变形呈现微观差别，Ashby研究发明，因为位错招致的的应力集中，使得晶粒内表示为均匀变形，而晶界处为非均匀变形。

由于晶界对多晶体变形的阻碍作用，因此当晶粒越细，晶界所占的面积越年夜，对滑移的阻碍作用就越年夜，然而这只是从晶界的角度出发，从实际情况来说，晶粒细化会提高合金的塑性，有文献[1]报导铸造的Mg合金通过晶粒细化后其塑性会变好，这可能和晶界增加，晶界协调性增加有关，这也可以从蒋婷慧[2]的研究中获得证实，该研究发明AlMg合金中不合尺寸晶粒中的位错密度不合,对尺寸小于100nm的晶粒，晶内晶界无位错，其晶界清晰平直，而尺寸年夜于200nm的年夜晶粒，晶内晶界存在很高密度的位错。

1.2晶界的多滑移

晶界使多晶的变形变得不均匀，为了坚持相邻晶粒之间变形的连续性，而不在晶界上产生裂纹，变形招致晶界邻近产生多滑移（Hauser等研究晶界处的应力集中发明滑移带空间间距在几个微米时，在邻近晶界会产生多系滑移），为了使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形，理论阐发标明：

每一个晶粒至少需要5个滑移系同时开动。

FCC和BCC金属能满足5个以上自力的滑移系的条件，塑性通常较好。

多系滑移的存在增进了塑性变形的健康进行，MasatakaTokuda等[3]研究了多滑移在多晶金属中的影响，研究发明多滑移的存在阻止了晶粒内部应力的增加及塑性变形早期的裂纹，并且多滑移在随着变形的进行中应力矢量与塑性应变增加矢量之间的差别的现象消失中起着重要的作用。

1.3晶界的滑动、迁移

合金在高温变形时，除基本的变形方法外，相邻晶粒还会产生相对滑动及迁移，此时晶界在高温状态下会呈现软化状态，相邻两晶粒在剪应力作用下沿晶界产生的滑动称为晶界滑动。

余琨等[4]研究了镁合金塑性变形机制，研究发明年夜尺寸晶粒塑性变形机制是镁合金中典范的滑移和孪生机制，而在含有小尺寸晶粒镁合金中，小晶粒通过晶粒间晶界的滑动协助年夜晶粒变形，两种机制共同作用提高了合金的变形能力。

晶界滑动经常陪伴着晶界迁移，晶界迁移是由于外应力或热运动驱动力作用，晶界向界面垂直标的目的的运动，晶界迁移也是塑性的一种影响因数，M.Yu.Gutkin等[5]研究了转动塑性变形下纳米晶资料的晶界迁移，研究发明应力诱导下的晶界迁移是塑性变形进行的运动方法，晶界迁移引起晶界应变能的变更，此后又影响晶界的移动有否。

实验证明，晶界迁移与晶界结构有关，周自强等[6]采取BridgemanStockbarger法制取了一系列具有不合晶界结构参数的纯Al双晶试样，辨别测定它们在不合加热温度和保温条件下的晶界迁移距离和晶界迁移速率。

实验发明，晶界迁移产生于较高的加热温度，晶界迁移对晶界结构很敏感，随着晶界取向差的增年夜，晶界迁移距离和迁移速率增加。

可是在小角度晶界和某些特殊角度晶界，其晶界迁移距离和晶界迁移速率很低，甚至为零。

1.4晶界偏聚

由于晶界区中的原子排列畸变较年夜，相应的自由能比较高，杂质原子或合金中的溶质原子容易从基体扩散到晶界招致晶界能降低，由于杂质容易在晶界偏聚，一般说来晶界上杂质的浓度要比体浓度高，但又与金属和杂质的种类有关，由于杂质原子或合金元素在晶界处的偏聚使得位错运动的阻碍增加，位错运动就越困难，从而使得塑性变形就变得更加困难。

平衡偏聚浓度可用下式暗示：

陈贤淼等[7]研究P的晶界偏聚浓度对塑性的影响发明P的晶界偏聚浓度越高，其塑性就越差，因此P的晶界偏聚是造成低合金钢在高温塑性变形过程中产生塑性降低的重要原因之一。

HidekiMatsuoka等[8]研究了Cu，Sn对含不合C含量的热塑性的影响，研究发明在800℃和900℃之间Cu、Sn会往晶界处偏聚，随着Cu或Sn的加入，热塑性不竭减少，当同时加入Cu和Sn时热塑性达到最低。

2晶界与合金强度

从理论上讲，提高合金强度有两种方法，一种是完全消除内部的位错和其他缺陷，但在以后的工业水平来说是不现实的，所以主要采取另一种途径即在合金中引入年夜量缺陷，以阻碍位错的运动来达到强化效果。

从而从晶界对位错的阻碍作用体现了晶界对强度改性的重要性，晶界强化作用主要考虑直接和间接两种方法。

2.1直接强化机理

直接强化作用是着眼于晶界自己对晶内位错滑移所起的阻碍作用。

无论是小角度晶界还是年夜角晶界都可以看成是位错的集合体，从而成为直接阻碍晶内位错运动的障碍。

这种直接强化作用涉及到晶界与晶格滑移位错的交互作用，包含以下几个方面：

（1）晶界具有短程应力场，可阻碍晶格滑移位错进入或通过晶界，这是一种由位错与晶界的应力场的交互作用所引起的一种局部强化作用。

对一个无限长的小角度晶界，由于各位错的应力场彼此抵消的结果，将会表示出具有短程应力场的特点，故当晶格位错进入晶界的短程应力场时，便会受到一定的阻碍作用。

（2）若晶格滑移位错穿过晶界时，其柏氏矢量产生变更，并形成晶界位错（如果在第一种情况下若应力较年夜时，晶格位错可切过位错墙，而在晶界上形成台阶或晶界位错。

在切过后晶格位错的相氏矢量要有所修改，其变更量称为晶界位错的柏氏矢量）。

晶界位错当其具有位于晶界面的柏氏矢量时，可沿晶界滑移；而当其柏氏矢量具有垂直于晶界面的分量时，可沿晶界攀移，在晶界位错攀移时，要产生或吸收晶格空位，当晶界位错与晶界中的“坎”相遇时，除非所形成的晶界位错从滑移带与晶界相交处移开，不然会引起反向应力阻碍进一步滑移。

很可能，在部分滑移传递时，会形成沿晶界位错塞积组态。

这时晶界是否流变便成为决定强化水平的重要因素。

（3）晶格位错也可与晶界位错相交产生位错反响。

其结果也使位错运动受阻。

另外，当晶格位错切过晶界位错时也可与晶界位错相交截而形成割阶或弯折。

所需附加的能量也会引起硬化效应。

若将此效应扩展到年夜角晶界时，可使晶界形成台阶而使晶界面积增加。

滑移位错与年夜角晶界也会产生交互作用。

除晶界自己对晶内位错滑移所起的阻碍作用，还有晶界发射位错机制。

晶界可以作为位错源向晶内发射位错。

若晶界中的“坎”或台阶自己是晶界位错的话，在外力的作用下可产生分化反响而生成晶格位错。

由于每个晶界位错只能产生一个晶格位错，这种晶界位错源最终会衰竭。

若晶界中的“坎”或台阶自己不是晶界位错，当沿晶界滑动的晶界位错，遇到晶界上的“坎”或台阶时，可通过位错反响分化成两个位错。

所生成的晶界位错应为螺形位错，以使之交滑移而沿晶界继续前进，不然会引起位错塞积，而阻碍位错反响及向晶内发射位错过程的继续进行。

位错塞积群的领先位错可能进入晶界，因晶界位错塞积引起长程应力场，需通过攀移而使晶界位错获得无应力状态的晶界。

作为强化方法之一的细晶强化应属于直接强化方法，HallPetch关系就是在位错塞积模型基础上导出的，根据HallPetch公式σs=σo+kd1/2可知，随着晶粒半径的减小，σs增年夜，而从晶界的影响考虑，随着晶粒的减小，相对晶界所占有的空间增年夜，从而使得位错运动所受的阻力增年夜。

张明等[9]研究了高锰不锈钢的晶界强化，研究发明在固溶处理及热轧后完全再结晶的条件下，钢的硬度仅取决于奥氏体晶粒尺寸，硬度与奥氏体晶粒尺寸的关系为:

HV=157+7.128d1/2。

2.2间接强化机理

间接强化作用是着眼于晶界的存在所引起的潜在强化效应，主要有以下两种：

（1）次滑移引起强化：

由双晶体模型可见，晶界的存在可引起弹性应变不匹配和塑性应变不匹配两种效应，在晶界邻近引起多滑移。

由弹性应变不匹配效应在主滑移前引起次滑移时，可对随后主滑移构成林位错加工硬化机制。

这种先次滑移后主滑移的机制在晶界潜在强化中起着重要作用。

塑性应变不匹配应力易于激发晶界位错源，位之放出位错而招致晶界邻近区域快速加工硬化。

（2）晶粒间取向差引起强化：

由于相邻晶粒取向不问，会引起两者主滑移系统取向因子呈现差别。

若年夜外力作用下，某一晶粒先开始滑移时，相邻晶粒内的主滑移系统难于同时开动。

这说明晶界邻近能使运动位错的晶体学特性受到破坏，从而引起强化效应。

3晶界偏聚

前面已经论述过晶间偏聚对塑性的影响，但晶间偏聚对合金断裂及腐化也会有很年夜的影响。

3.1断裂

杂质在晶界上的偏聚在很年夜水平上影响合金的断裂性能，某些有害杂质在品界偏聚将极年夜地降低晶界结合力，在外力作用下很容易产生沿晶断裂，YingZhang等[10]发明由于S偏聚的存在使得界面间的键减弱了，使得试样的拉伸应力比没有偏聚时的存在减少了18%。

他们论证在拉伸试验时界面上SAl原子簇的共同性质。

这些原子簇形成类似于在年夜块S中的一维链结构，并且在拉伸过程中不变更直到产生断裂，可是却影响了晶界的结构。

由于偏析的S原子只与他邻近的少量Al原子形成强键，招致晶界处的AlS键变弱。

他们认为实验观察到的Al晶粒间的脆化是由于S偏聚招致的晶界弱化引起的。

G.D.West等[11]的研究标明当稀土元素掺杂到Al中时相比较没有掺杂的资料在晶粒年夜小相同时晶间断裂的比例显著增加。

他们将他解释为稀土元素的在晶界处的偏析减少了概略能，从而降低了晶间断裂所做的功。

然而其实不是所有元素对脆性断裂都是有害的，D.FARKAS等[12]研究了替换元素Ni、Cr对脆性断裂的影响发明Ni、Cr在晶界处的偏聚虽然也会降低晶界处的结合能，但Cr的浓度只有达到一定量时才观察到脆断，而Ni的影响却几乎没有。

而MiyoungKim等[13]通过第一性原理计算电子结构研究了间隙N对FeΣ3[110]（111）晶界的结合力的影响发明N提高了晶界结合能。

3.2腐化

晶间腐化是指金属资料在特定的腐化介质中,晶粒鸿沟或其紧邻区域的腐化速度比晶粒本体更快而招致晶粒间丧失结合力,以至于资料机械强度几乎完全丧失的一种局部腐化行为。

晶间腐化的机理之一是杂质元素沿晶界偏析理论，李异[14]等研究316L不锈钢的晶间腐化发明磷和硅的晶间偏聚是引起晶间腐化的主要原因，在晶间区用AES阐发可以检测到磷硅的存在而在晶内却检测不到说明晶界区磷和硅的浓度与晶内的浓度有明显的差别。

主要原因可能是与晶内相比，晶界上原子排列紊乱，并有许多年夜小不合的孔洞，溶质原子处在晶界会引起系统畸变能降低。

磷是一个概略活性元素，偏聚到晶界可降低晶界能，使系统总的自由能下降。

晶间偏聚的磷，在腐化开始时起诱导作用，含磷物质的溶解，仅仅是被腐化的资料总量的一小部分。

除晶界偏聚对腐化影响外，晶界处的腐化沟槽深度也与晶界角有很年夜关系。

4晶界与其他性能

晶界的影响除在塑性、强硬度、脆性断裂及腐化上有很年夜影响外，在高温蠕变、脆性及疲劳等性能上均有很年夜影响。

金属在恒定应力下产生的缓慢而连续的变形称为蠕变，Burton.B[15]研究了蠕变过程中的晶界位错理论，ByungNamKim等[16]研究了晶界滑动在蠕变中的作用，由于晶界滑动，宏观应变达到晶粒最年夜应变的60%，而不考虑滑动则是40%。

综合来看在蠕变过程中存在两方面的作用:

①晶界滑动对蠕变的贡献（高温下占主导）；②晶界对晶内滑移的阻碍作用（高温下占主导）。

因此多晶资料的总蠕变量为：

εc=εs+εg

式中εs为晶界滑动的贡献，εg为晶粒内部位错运动引起的蠕变，晶界滑动和位错的作用在塑性变形的讨论中已讨论过。

合金的脆性和疲劳性能年夜多是与晶界偏聚有关。

参考文献

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[7]陈贤淼，宋申华．高温塑性变形引起的P非平衡晶界偏聚．物理学报，,58（6）:

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（2）:

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[11]G.D.West,J.M.PerkinsB,etal.TheEffectofRareEarthDopantsonGrainBoundaryCohesioninAlumina.JournaloftheEuropeanCeramicSociety,,27:

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[12]D.Farkas,R.Nogueira.AtomisticsimulationsoftheeffectsofsegregatedelementsongrainboundaryfractureinbodycenteredcubicFe.MetallurgicalandMaterialTransactions,,36:

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[13]MiyoungKim,ClintB.Geller,etal.TheeffectofinterstitialNongrainboundarycohesivestrengthinFe.ScriptaMaterialia,,50:

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[14]李异，镯浩文等．361L不锈钢晶间腐化机理的探讨．腐化科学与防护技术，1993,2（5）:

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[15]Burton.B.Grainboundarydislocationgeometryduringdiffusionalcreep.MaterialsScienceandTechnology,1986,12:

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[16]ByungNamKim,KeijiroHiraga.Contributionofgrainboundaryslipingindiffusionalcreep.Scriptamater,2000,42:

451–456.

时间：

2021.02.07

命题人：

欧阳物