晶界与材料力学性能的关系细晶强化.ppt

内容提纲 倾斜晶界与扭转晶界示意图倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界 简单立方晶体中的对称倾斜晶界  强化机制： 一是由于晶界本身的存在，使滑移位错难以直接穿越晶界， 从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动。 二是多晶体中各个晶粒塑性变形开始的先后不同。由于晶界 的存在，引起在晶界处产生弹性变形和塑性变形不协调，进 而在晶界处诱发应力集中，以维持两晶粒在晶界处的连续 性。导致晶界附近引起二次滑移，使位错迅速增值，形成加 工硬化微区，阻碍位错运动。 3 细化晶粒的途径 细化铸件的晶粒的基本途径是形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成结晶过程。 ①提高过冷度 金属结晶时的形核速率N，线长大速度G和过冷度△T的关系如图1。 ③在浇注和结晶过程中实施搅拌和震动，也可以细化晶粒。搅拌和震动能向液体中输入额外的能量以提供形核功；另外，还可以使结晶的枝晶破碎，增加晶核的数量。 ④热处理细化晶粒 一旦形成了粗晶粒，只要晶界上没有很多难熔析出物， 通过一次或多次奥氏体化，总可以使晶粒细化。 * * * 晶界对金属材料强度的影响—— 细晶强化 李周 材物0801 2011年4月28日 晶界知识回顾 多晶强化与细晶强化 细晶强化的工艺途径 1 晶界（grain boundaries） 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。 由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。 图1：钢中的晶粒 （其中黑线为晶界） 图2：纯铁的 微观结构照片 1.3 分类： 大角度晶界： large angle grain boundary 晶粒位向差大于10~15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： small angle grain boundary 晶粒位向差小于10~15度的晶界。其结构为位错列，又分为倾斜晶界（tilt boundary）和扭转晶界（twist boundary）。 亚晶界：晶粒内部位向差小于1~2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。 简单立方晶体中的 不对称倾斜晶界 简单立方晶体扭转晶界 结构特点：晶界是由两组相 互垂直的螺位错构成的网络 亚晶界示意图 实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2°)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界 晶界示意图 2 晶界对金属材料强度的影响 一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软 化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于约0.5T熔且变形速率较大时，晶界层的强度比晶内高，成为强化层，晶粒细化会使金属强度升高； 但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界层的强度低于晶粒内部，能产生粘滞流动，晶界成为弱化层，晶界增多反而使金属强度降低。 因此对于一般金属材料而言，在室温下晶界本身就是一种强化因素，我们可以通过细化晶粒来达到增强的目的。而对于高温合金一般希望获得粗晶组织。 晶界对材料性能的影响 现象一：多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体 ——即多晶强化 现象一：同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。 ——即细晶强化 问题的提出：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料，在对金属材料的研究和使用中出现以下两个现象： 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的。也就是说，在室温下晶界对滑移有阻滞效应。 如果将一个只有2-3个晶粒的试样进行拉伸实验，变形后的试