晶界对材料力学性能的影响

晶界对材料力学性能的影响

晶界是单晶体区别于多晶体的主要特征，近年来，随着人们对晶界工程基础理论研究的不断完善，微观机理的不断深入研究，晶界工程已经在实际生产中对材料性能的优化提供了很多帮助。

①晶界对Cu、Al双晶体低周疲劳性能的影响。

金属材料的低周疲劳破坏实际上是一个累积损伤的过程，大量研究表明疲劳微裂纹往往都是由于材料中存在不均匀的局部滑移变形和局部显微开裂所引起的。Rey等人[1]发现拉伸条件下，Cu、Al双晶体周围存在一个异态变形区，即晶界影响区，如左图所示。晶界影响区内会使得不相容的塑性应变在该处产生内应

力，从而激发次级滑移，产生晶界裂纹，随着

应变循环进行，裂纹会倾向于沿着晶界扩展。

多晶材料的晶界或亚晶界是疲劳裂纹萌生地

之一。高温下，晶界强度比晶内差，表面裂纹

优先在晶界处萌生。研究表明，Cu、Al合金

中疲劳裂纹源多在大角度晶界位置形核[2],对

Cu双金的拉压载荷、应变控制的疲劳实验结

果表明，不管是垂直还是平行晶界，只要在相

邻晶粒中的滑移系取向合适，滑移系中的位错

都可能撞击晶界而引起裂纹萌生[3]。所以,Cu、

Al合金中晶界对中低应变幅条件下疲劳破坏影响已得到证实，Cu、Al合金中晶体间的取向和关于应力轴的晶界取向是晶界影响疲劳破坏机制的决定性因素。

②晶界对纯Al的强度和塑性的影响。

强度和塑性是两个互相矛盾的量。在用传统方法改善材料这方面力学性能的时候往往就是在提高强度的时候使得塑性降低。晶界对位错有阻碍作用，所以细化晶粒可以在相同体积的材料内部产生更多的晶界，若晶界结构没有发生变化，则就要施加更大的外力才能在晶界处产生位错塞积，从而达到材料强化。在一定条件下，金属材料的脆韧性取决于裂纹扩展过程，如果裂纹被某种阻碍阻断，则材料表现为韧性，反之为脆性。因而晶粒细化增加单位体积晶界的数量可以同时增加材料塑性和强度。

通过不同应力方式产生塑性形变的纯Al具有

亚纳米级的细晶粒，但晶界特征不同，正是这些不

同的晶界特征对Al的强度和塑性有很强烈的影

响。Sun[4]等人研究了三种具有相同晶粒尺寸

（600nm）但晶粒特征分布各异的纯Al试样，得到

了三种不同的应力应变曲线，因而证实了纯Al纳

米晶金属材料的强度和塑性收晶界影响很大，但是

研究发现当晶粒尺寸很小时，强度会随着晶粒尺寸的减少反而降低，造成晶粒的软化，如上图是屈服关系和晶粒尺寸之间的关系。因而多晶材料并不是可以无限制的晶粒细化下去，而且晶粒细化的贡献存在一个极值[5]。

综上，通过晶界工程改善材料力学性能是可行的。

参考文献

[1] 张中平，霍立兴，王东坡等。等离子喷涂法改善1Cr18Ni9Ti接头的疲劳性能[J].焊接学报，2005, 26（9）:49-57

[2] 张哲峰，张鹏等，金属材料疲劳的界面效应[J].金属学报， 2009（7）：788-800

[3] H.Mughrabi, K.Herz, X.Stark. Cyclic deformation and fatigue behaviour of α-iron mono-and polycrystals[J]. International dependence of Fracture, 1981(17): 193-222

[4] P.L.Sun, C.Y.Yu, P.W.Kao, C.P.Chang.Influence of boundary characters on the tensile behaviour of sub-micron-grained aluminum[J]. Scripta Materialia, 2005: 265-269

[5] Xiao Xu. Effect of grain boundary design and control on the mechanical behavior of SUS304. 2013: 17-31