晶界对性能的影响

晶界对合金性能的影响机理

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（θ<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。

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

图1 钛合金中位错在晶界塞积的电子显微图

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[1]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[2]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。

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[3]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[4]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，M.Yu.Gutkin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[6]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