晶界对性能的影响

晶界对合金性能的影响机理

令狐采学

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，Masataka Tokuda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。Hideki Matsuoka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