晶界对性能的影响.docx

晶界是固体材料中的一种面缺陷，根据晶界角度的大小可以分为小角晶界 （9<10°）和大角晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°，多晶体中90% 以上的晶界属于大角度晶界根据晶界上原子匹配优劣程度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）晶界处点阵畸变大，存在晶界能 晶粒的长大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大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， 宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度晶粒越细，材料的强度越高，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得多；（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大，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，导致“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蚀速度一般较快。

这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依 据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因；（7）低温下晶界强度 比晶粒内高，高温下晶界强度比晶内低，表现为低温弱化基于上述几点晶界的特殊性质，使得多晶材料的塑性变形、强度、断裂、脆 性、疲劳和蠕变等性能与单晶材料相比存在很大差异，即晶界不同的特殊性质具 体体现在了合金的不同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现出来，不同成分的合金在性能上也表 现出各异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式，而滑移和孪生进行均需要借助位错的 运动，因为90%以上的晶界是大角度晶界，结构复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，这种晶界本身使滑移受阻而 不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，表现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，对于滑移系统少的晶体，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，对于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 要小些在低温和室温下变形时，由于晶界强度比晶粒强，并且晶粒间具有不同 的取向，这使得滑移的传递需要激发相邻晶粒的位错源，表现为晶粒间的取向差 效应，表现出塑性变形的阻碍多晶体的塑性变形虽然力求均匀，但是由于各晶 粒的取向不同，各晶粒之间的取向差以及晶界结构的差异，因而使得各晶粒内部 以及各晶界处的变形呈现微观差异，Ashby研究发现，因为位错导致的的应力集 中，使得晶粒内表现为均匀变形，而晶界处合非均（匀变形界塞积的电子显微图由于晶界对多晶体变形的阻碍作用，因此当晶粒越细，晶界所占的面积越大， 对滑移的阻碍作用就越大，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⑴报道锻造的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⑵的研究 中得到证实，该研究发现Al-Mg合金中不同尺寸晶粒中的位错密度不同，对尺寸 小于100nm的晶粒，晶内晶界无位错，其晶界清晰平直，而尺寸大于200nm的大 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，为了保持相邻晶粒之间变形的连续性，而不 在晶界上产生裂纹，变形导致晶界附近产生多滑移（Hauser等研究晶界处的应 力集中发现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，理论分析表明：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个以上独立的滑移系的条件，塑性 通常较好多系滑移的存在促进了塑性变形的健康进行，Masataka Tokuda等⑶ 研究了多滑移在多晶金属中的影响，研究发现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异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，除了基本的变形方式外，相邻晶粒还会发生相对滑动及 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⑷研究了镁合金塑性变形机制，研究发现大 尺寸晶粒塑性变形机制是镁合金中典型的滑移和孪生机制，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大晶粒变形，两种机制共同作用提 高了合金的变形能力。

晶界滑动常常伴随着晶界迁移，晶界迁移是由于外应力或热运动驱动力作 用，晶界向界面垂直方向的运动，晶界迁移也是塑性的一种影响因数，等5］研究 了转动塑性变形下纳米晶材料的晶界迁移，研究发现应力诱导下的晶界迁移是塑 性变形进行的运动方式，晶界迁移引起晶界应变能的变化，而后又影响晶界的移 动有否实验证明，晶界迁移与晶界结构有关，周自强等⑹采用 Bridgeman-Stockbarger法制取了一系列具有不同晶界结构参数的纯Al双晶试 样，分别测定它们在不同加热温度和保温条件下的晶界迁移距离和晶界迁移速 率实验发现，晶界迁移发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大，晶界迁移距离和迁移速率增加但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大，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导致晶界能降低，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表示：陈贤淼等⑺研究P的晶界偏聚浓度对塑性的影响发现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发生塑性 降低的重要原因之一HidekiMatsuoka等［8研究了 Cu, Sn对含不同C含量的热 塑性的影响，研究发现在800°C和900°C之间Cu、Sn会往晶界处偏聚，随着Cu 或Sn的加入，热塑性不断减少，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式，一种是完全消除内部的位错和其他 缺陷，但在当前的工业水平来说是不现实的，所以主要采用另一种途径即在合金 中引入大量缺陷，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 式直接强化机理直接强化作用是着眼于晶界本身对晶内位错滑移所起的阻碍作用无论是小 角度晶界还是大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，包括以 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。

对于一个无限长的 小角度晶界，由于各位错的应力场彼此抵消的结果，将会表现出具有短程应力场 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，其柏氏矢量发生变化，并形成晶界位错(如 果在第一种情况下若应力较大时，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改变，其变化量称为晶界位错 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，否则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 决定强化程度的重要因素3) 晶格位错也可与晶界位错相交发生位错反应其结果也使位错运动受阻 此外，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大角晶界时，可使晶界形成 台阶而使晶界面积增加滑移位错与大角晶界也会发生交互作用。

除了晶界本身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”或台阶本身是晶界位错的话， 在外力的作用下可发生分解反应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”或台阶本身不是晶 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 反应分解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，否则会引起位错塞积，而阻碍位错反应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式之一的细晶强化应属于直接强化方式，Hall-Petch关系就是 在位错 塞积模型基础上导出的，根据Hall-Petch公式os=o°+kd"可知，随着 晶粒半径的减小，增大，而从晶界的影响考虑，随着晶粒的减小，相对晶界 所占有的空间增大，从而使得位错运动所受的阻力增大张明等9］研究了高锰不 锈钢的晶界强化，研究发现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+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，在晶界附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，位之放出位错而导致晶界附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出现 差异若大外力作用下，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附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蚀也会 有很大的影响断裂杂质在晶界上的偏聚在很大程度上影响合金的断裂性能，某些有害杂质在品 界偏聚将极大地降低晶界结合力，在外力作用下很容易发生沿晶断裂， YingZhang等［10］发现由于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S-Al原子簇的 独特性质。

这些原子簇形成类似于在大块S中的一维链结构，并且在拉伸过程中。