材料强度学晶界与强化

晶粒之间变形的协调性
原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致 晶体分裂） 条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）
晶粒大小与性能的关系：
晶粒越细，强度越高 ( 细晶强化： HallPetch 公式可知) s=0+kd-1/2
原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。 而且晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的 开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。
晶界位错模型
基本思路：晶界上存在台阶或坎－故晶界本身 也可以作为位错源－位错移出晶界必须通过坎位错 林－所需的应力取决于坎的密度（随晶粒尺寸减小 而增）。
可解释纯金属中不存在位错塞积而符合HallPetch 公式的情况。
1 S G L( ) 2 V
ρ,位错密度 L,是屈服时单位晶界面积上发出的位错 的总长度 S,晶粒表面积 V,晶粒体积 系数1/2表示晶界分属两个晶粒
理论临界分剪应力
m
m
G 2
常用金属的G 值 ≈ 104MPa～105MPa
理论切变强度应为103MPa～104MPa
≠
金属的屈服强度仅为0.5～10MPa
埃贡·欧罗万（Egon Orowan） 迈克尔·波拉尼（Michael Polanyi） G.I. 泰勒（G. I. Taylor）
塑性变形的 位错机制理论
grain size
3μm- several mm
K value
17.4 MPa· mm1/2 22.3 MPa· mm1/2
~1 μm
Al Mg
<10 MPa· mm1/2
? ?
K value of Mg is bigger than that of Al or Fe.
number of grains Z N / G
S n( )
0

( ) D 2A
2 0
S n( )
0
( ) D 2A
2 0
（
0
2AS

1 2 1 2
）D
1 2

1 2
8AS SS （ ）D S k D
0


1 2
0
y
0 kd 1/ 2
一侧相对于另一侧的整体刚性滑移 通过位错的运动来实现
位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的 局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看， 位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与 未滑移部分的分界线。 晶体的范性形变就是位错运动的结果。其存在对 材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的 影响。
等通道转角挤压（ECAP）
高压扭转变形（HPT-- High pressure torsion）
累积叠轧（ARB-- Accumulative roll-bonding ）
动态塑性变形（DPD—Dynamic Plastic Deformation）
动态再结晶控轧（DRCR-- Dynamic recrystallization rolling/extrusion ）
Strengthening Materials by Engineering Coherent Internal Boundaries at the Nanoscale K.Lu Science 17 April 2009: Vol. 324 no. 5925 pp. 349-352
Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned Copper L.Lu. Science 30 January 2009: Vol. 323 no. 5914 pp. 607-610
《材 料 强 度 学》
材料强度： 表征材料承载能力 的力学性能指标。是材料对变形 和断裂的抗力。
定义： 用给定塑性变形量或塑性变形速度所对应的应力或断 裂前所能承受的最大应力
e.g.
屈服强度：刚刚发生塑性变形所对应的应力。 蠕变强度：一定温度下给定的稳定蠕变速度所对应的应力。 疲劳强度：给定的疲劳断裂周次所对应的应力幅。
3．滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。 4．多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。 由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形 抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工 硬化更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在 变形早期较重要. 5．塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。 6．时间性 hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的 晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系 金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有 那么大的差别。
进一步实验证明，霍尔—佩奇公式适用性甚广，如： 1、亚晶粒大小或两相片状组织的层片间距对屈服强度的影响 2、塑性材料的流变应力与晶粒大小之间的关系
3、脆性材料的脆断应力与晶粒大小的关系
4、金属材料的疲劳强度、硬度与其晶粒大小的关系一般在室温使用的结构材 料都希望获得细小而均匀的晶粒。因为细晶粒不仅使材料具有较高的强度、 硬度，而且也使它具有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能
进一步实验证明，霍尔—佩奇公式适用性甚广， 如：该集中应力（即S）达到
使滑移位错对钉扎的原子气团解钉的临界应力SSC时，晶体将发
生屈服；
使相邻晶粒内的位错源开动的临界应力SfC时，晶体将发生塑性 流变； 使邻近某处的微裂纹开始扩展的临界应力SCC时，晶体将发生解 理断裂；
微孔聚合的临界应力SbC时，晶体将发生塑性断裂。
对于十四面体晶粒
S / V 6.7 / D L 3.35 D
G
位错强化增量公式
YS 2Gb
G
1 2
YSG 2 Gb 3.35LD

1 2
ky D

1 2
0 kd
1/ 2
K value of different steel
Materials
Low carbon steel High carbon steel
位错塞积模型
基来自百度文库思路：晶界位错塞积－应力集中－达到某临界值－相邻 晶粒屈服－相邻晶粒位错源开动－滑移从一个晶粒传播到另 一个晶粒。
Stress concentration
D( ) n 2A
0
n, number of dislocation α=2
τ0
τ
在塞积位错群头部产生 应力集中
Gb A for edge dislocation 2 (1 ) Gb for screw dislocation A 2
此外，晶粒越细，应力集中小，裂纹不易萌生；晶 界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能 量,表现出高韧性。 故细化晶粒是同时提高材料强度、塑性和韧性的有 效手段（高温性能除外），受到广泛重视。
Hall－Petch 公式的位错模型 s=0+kd-1/2
Hall和Petch 首先建立了 低碳钢下屈服点与晶粒尺 寸的经验关系，并得到了 Morrison, Gladman 和 Pickering等人的证实。
孪晶界：
两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶 界。
有晶界条件下(多晶体)的变形特点： 晶粒之间变形的传播过程：
位错在晶界塞积;
应力集中;
相邻晶粒位错源开动;
相邻晶粒变形;
宏观塑性变形。
软取向
多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶 粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到 比较均匀的变形。
研究材料变形与断裂行为及其与应力、环境等 外部因素的关系，探明变形与断裂行为的微观 机制，并建立变形与断裂定量理论。
强度
塑性变形
位错
缺陷
空位
位错
晶界 固溶原子 第二相原子
点缺陷
位错的运动与晶体塑性
1926年，苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Jacov Frenkel）
理想完整晶体模型理论屈服强度
大角度晶界：
晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原 子的混乱排列，可视为一个过渡区。
小角度晶界：
晶粒位向差小于 10 度的晶界。其结构为位错列，又分为 对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界：
位向差小于 1 度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。
晶粒的平均直径通常在 0.015—0.25mm 范围内，而 亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内
强度
？
硬度
硬度： 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是 衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标
钢和黄铜的强度－硬度关系（选自美国 Metal Handbook第九版第一卷）
材料强度的影响因素：
强度：
化学成分 微观结构 环境 应力状态
Graphite
Diamond
材料强度学的任务：
剪切应力的存在是塑性变形得以发生的最基本因素。
刃型位错
螺型位错
攀移
晶界与强化
面缺陷：二维尺寸
•
晶体外表面（external surfaces） 晶粒边界（grain boundaries）
•
•
•
孪晶界（twin boundaries）
相界面（phase boundaries）
•
层错（stacking faults）
4 细晶强化的应用
• 快速凝固
• 晶粒细化剂（Ti、Al） • 钢的正火
• 高强度钢丝：Patenting Process (奥氏体-－
290C铅浴淬火－－540C 极细珠光 体转变) ＋ Cold wire-drawing UTS可 达4000MPa 以上。 • 再结晶退火
• 纳米晶粒
• 铝合金晶粒细化：Ti（Ti3Al）, Ti-B（TiB2） • 镁合金晶粒细化：Zr，Y
值得注意的是，晶界是一种非晶态的缺陷，晶体中在缺 陷很多（纳米晶、非晶）和全无（晶须）的极端条件下 都表现出优异的性能。
此外，在研究中，要特别注意区别晶粒（ grain ）和枝 晶晶胞（dendrite cell）
本节完
多晶体金属塑性变形的特点
1．各晶粒变形的不同时性和不均匀性。 2．各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移 系同时动作。 由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从 某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一 个晶粒之中，但多晶体作为一个连续的整体，每个晶粒 处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移 系中自由变形，否则必将造成晶界开裂，为使每一晶粒 与邻近晶粒产生协调变形，Von Mises指出：晶粒应至少 能在五个独立的滑移系上进行滑移。 fcc和bcc金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性 通常较好；而hcp金属独立滑移系少，塑性通常不好。
应变诱导铁素体相变（DIFT-- Deformation induced
transformation ）
Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned Copper L.Lu. Science 30 January 2009: Vol. 323 no. 5914 pp. 607-610
晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。(是单 晶体区别与多晶体的主要特征) 晶界的特性：
•晶界原子排列混乱、缺陷和杂质原子多、能量高； •晶界上原子扩散速度较快； •晶界对位错运动有阻碍作用； •晶界易产生氧化、局部熔化和腐蚀等；
•晶界的原子混乱排列和高能量有利于固态相变的形核。
晶界分类：
增加形核率, N 减低晶粒生长速度, G
变质处理(Inoculeation) 在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进 形成大量的非均匀形核来细化晶粒。 此法用于大型铸件。 振动、搅拌(Virbration and stir)
机械振动，电磁振动，加压浇注等。 用于非常复杂的铸件
细晶强化可以取得较大的强化效果，目前在钢铁 材料中通过低温大塑性变形（SPD）工艺如：