晶界与强化-1

2 有晶界条件下的变形特点
2.1晶粒之间变形的传播
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。
2.2 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）
两种模型都能够推导出Hall-Petch 公式，但公式中 参数的意义不同。
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。
1.3 分类：
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。 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。
晶界特性及其强化作用
《材料强度学》课程内容之一
2008年5月11日
1 晶界的特性
1.1 定义：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)
1.2 性能特征：
•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。
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。
3 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。但其中各参数的意义是什么， 从何而来，却值得深入的研究。
2.3 晶界对变形的阻碍作用
晶界的特点：原子排列不规则、分布有大量缺陷； 晶界对变形的影响：滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过； 晶粒大小与性能的关系件： 晶粒越细，强度越高(细晶强化：Hall-Petch 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。
• 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）
3.1 位错塞积模型
基本思路：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。
3.2 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Βιβλιοθήκη Baidu积而符合Hall-Petch 公式的情况。