北航物理冶金原理6-晶界与相界

1、物理冶金学原理物理冶金学原理研究对象研究对象: :New MaterialsProcessing Innovations面缺陷：晶界与相界面面缺陷：晶界与相界面Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases实际金属材料中的晶界与相界实际金属材料中的晶界与相界 单相单晶材料：单相单晶材料： 单相多晶材料：晶界单相多晶材料：晶界 多相材料：相界面、相结构多相材料：相界面、相结构晶界及相界的结构、性晶界及相界的结构、性质、作用质、作用! !材料的物理化学性能材料的物理化学性能与晶界与相界结构与晶界与相界结构 物理性能：电阻、磁性

2、、导热性物理性能：电阻、磁性、导热性 化学性能：耐蚀性、化学性能：耐蚀性、 室温及高温力学性能：强度、塑室温及高温力学性能：强度、塑性、韧性、裂纹扩展、氧化性能性、韧性、裂纹扩展、氧化性能 工艺性能：冷变形、热变形、焊工艺性能：冷变形、热变形、焊接、热处理、机械加工、接、热处理、机械加工、晶界的描述晶界的描述: 5个自由度个自由度小角度晶界小角度晶界Low Angle Grain Boundaries对称倾侧小角度晶界对称倾侧小角度晶界由刃位错墙组成由刃位错墙组成Symmetric Tilt Small Angle Grain BoundariesEgb=Ee/D = Eeq/b =Gbq q

3、 /4p(1-n)ln(D/ro) q=b/DDEgb=Ee/D = Eeq q/b =Gbq q /4p p(1-n)ln(D/ro) 对称倾侧小角晶界对称倾侧小角晶界HREM照片照片 （高分辨透射电子显微照片）（高分辨透射电子显微照片）扭转小角度晶界：扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量由两列柏氏矢量互相垂直的螺位错组成互相垂直的螺位错组成（螺位错网）（螺位错网）Twist Small Angle Grain Boundaries大角度晶界大角度晶界High Angle Grain Boundaries重合位置点阵CSL Lattice晶界的性质重合位置点阵与大角度晶界重合位置点阵与大角度晶界C

4、oincidence Site Lattice and Large Angle Grain Boundaries大角度晶界HREM像（CSL）晶界与晶粒取向差的关系晶界与晶粒取向差的关系纯铝晶界与晶粒取向差的关系纯铝晶界与晶粒取向差的关系计算值计算值 实验值实验值晶界强化晶界强化Grain Boundary StrengtheningHall-Petch公式：公式： ts= t to o + kd-1/2 ss= s so o + kd-1/2晶界前位错塞积群数目 n (t-tt-to o)d/（bG）领先位错处的应力场 t t(r) n (t-tt-to o) = (t-tt-to o) 2

5、d/（bG）在相邻晶粒位错源S2处的分切应力t t(r)=f(r)t t(r) = f(r)(t-tt-to o)2d/(bG)当t(r) t t*时， （t*为位错源S2开动的临界应力），S2开动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力t即为该多晶材料的屈服应力ts f (r) (ts -t -to o) 2d/(bG) t t* ts = t to o + t t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2) Hall-Petch公式：公式： ts= t to o + kd(-1/2)S1nS2t tr晶界前位错塞积群数目 n (t-tt-to o)d/（bG）领先位错

6、处的应力场 t t(r) n (t-tt-to o) = (t-tt-to o) 2d/（bG）在相邻晶粒位错源S2处的分切应力 t t(r)=f(r)t t(r) = f(r)(t-tt-to o)2d/(bG)当t(r) t t*时，(t*为位错源S2开动的临界应力），S2开动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力t即为该多晶材料的屈服应力ts f (r) (ts -t -to o) 2d/(bG) t t* ts= t to o + t t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2)= t to o + kd(-1/2)晶界的性质：晶界的高能量晶界的性质：晶界的高

7、能量 位错运动的不可逾越的障碍：位错运动的不可逾越的障碍：Hall-Petch关系、细化关系、细化晶粒同时提高金属材料常温强度、塑性与韧性的唯一方法；晶粒同时提高金属材料常温强度、塑性与韧性的唯一方法； 原子扩散的快速通道：原子扩散的快速通道： 固态相变形核之场所：固态相变形核之场所： 溶质原子平衡偏聚的场所：溶质原子平衡偏聚的场所：晶界偏聚对材料物理、晶界偏聚对材料物理、化学、力学性质及加工制备工艺性能具有重要影响。化学、力学性质及加工制备工艺性能具有重要影响。 降低晶界能：降低晶界能： 晶界结合力提高：晶界结合力提高： 晶界结合力降低或变脆：晶界结合力降低或变脆： 腐蚀、氧化、熔化等自晶界

8、开始：腐蚀、氧化、熔化等自晶界开始： 高温变形之薄弱环节：晶界滑动、晶界迁移高温变形之薄弱环节：晶界滑动、晶界迁移 晶粒易长大晶粒易长大晶界的运动（迁移）晶界的运动（迁移）Migration of Grain Boundaries晶界迁移的驱动力晶界迁移的驱动力相邻晶粒内能差相邻晶粒内能差 晶界自由能差：晶界自由能差：小晶粒缩小消失、大晶小晶粒缩小消失、大晶粒长大粒长大 应变能差：应变能差：高应变晶粒缩小消失、低应变晶高应变晶粒缩小消失、低应变晶粒长大粒长大 ss表面自由能：表面自由能：表面曲率引起的晶粒内部附加压力表面曲率引起的晶粒内部附加压力2s2s sin(dq q/2) = D DP

9、R dq q D DP = s s/R由于表面自由能的由于表面自由能的驱动：驱动：小晶粒小晶粒缩小、大晶粒缩小、大晶粒长大长大正曲率晶粒缩小、负曲率晶粒长大正曲率晶粒缩小、负曲率晶粒长大小晶粒缩小、大晶粒长大小晶粒缩小、大晶粒长大（马太效应）（马太效应）影响晶界迁移运动的因素影响晶界迁移运动的因素 温度温度: D=Doexp(-Q/kT) 晶界能晶界能: 小角度晶界、低能晶界小角度晶界、低能晶界 晶粒内晶体缺陷密度及均匀性：晶粒内晶体缺陷密度及均匀性： 晶界元素偏析情况晶界元素偏析情况 晶界第二相：晶界第二相： 晶界结构（锯齿状晶界、弯曲晶界等）晶界结构（锯齿状晶界、弯曲晶界等） 晶体性质（晶

10、体结构、熔点、原子间结晶体性质（晶体结构、熔点、原子间结合力、层错能等）合力、层错能等）相界面相界面Interfaces between Phases共格界面共格界面Coherent Interface形成条件形成条件：1）两相晶体结构相同、晶格常数相近两相晶体结构相同、晶格常数相近2）某些晶面原子排列归律相同、原子间距相近某些晶面原子排列归律相同、原子间距相近b ba a共格界面共格界面Coherent Interface 特点：特点：界面能很低界面能很低！但应变能较高！但应变能较高！a ab b孪晶界：一种理想的共格界面孪晶界：一种理想的共格界面 无应变能、界面能即层错能无应变能、界面能即

11、层错能沉淀强化：位错切割粒子沉淀强化：位错切割粒子Precipitation Strengthening: Particle-Cutting 强化效果取决于粒子的本性！强化效果取决于粒子的本性！沉淀析出第二相粒子的强化效果及沉淀析出第二相粒子的强化效果及强化机制与粒子尺寸的关系：强化机制与粒子尺寸的关系：Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles由于其极低的界面由于其极低的界面能，利用能，利用共格粒子共格粒子沉淀强化沉淀强化是强化是强化高高温结构材料温结构材料的主要的主要途径之一：例如途径之一：例如镍基高温合金镍

12、基高温合金 g g (Ni3Al)/g-g-Ni非共格界面非共格界面Non-Coherent Interface特点：特点：界面能很高！应变能很低！界面能很高！应变能很低！弥散强化：弥散强化：位错绕过粒子位错绕过粒子Dispersion Hardening： Particle-bypassing强化效果只取决于粒子的尺寸强化效果只取决于粒子的尺寸d（粒子间距）！与粒子本性无关！（粒子间距）！与粒子本性无关！t = Gb2/2RDispersion StrengtheningParticle Size (d)Yield Strength (t)沉淀析出第二相粒子的强化效果及沉淀析出第二相粒子的强

13、化效果及强化机制与粒子尺寸的关系：强化机制与粒子尺寸的关系：Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles半共格界面半共格界面Semi-coherent Interface特点：特点：介于共格与非共格之间界面之间！介于共格与非共格之间界面之间！第二相界面结构与相生长形态第二相界面结构与相生长形态 界面共格：界面能很低、应变能很高界面共格：界面能很低、应变能很高 碟状、片状、针状：碟状、片状、针状：比表面积最大、比表面积最大、应变能最低！应变能最低！ 界面非共格：界面能很高、应变能很低界面非共格：界面能很高、应变能很低

14、 球状：球状：比表面积最小，比表面积最小，表面能最低！表面能最低！ 半共格界面：界与上述两者之间半共格界面：界与上述两者之间润湿性（界面结构）润湿性（界面结构）与第二相生长形态与第二相生长形态 非共格 ？ 共格提高金属材料高温强度的方法提高金属材料高温强度的方法（高温金属材料强化方法）（高温金属材料强化方法）高温变形高温变形: 晶界迁移、晶界滑动晶界迁移、晶界滑动蠕变蠕变(Creep) 提高金属材料高温强提高金属材料高温强度的方法（高温金属度的方法（高温金属材料强化方法）材料强化方法）降低原子扩散速率降低原子扩散速率阻碍位错运动与交滑移阻碍位错运动与交滑移阻碍晶界滑移与迁移阻碍晶界滑移与迁移阻

15、碍晶粒长大阻碍晶粒长大Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet EngineTurbofan GP7000 for Airbus 380Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines提高金属材料高温强度的方法提高金属材料高温强度的方法 基体材料：基体材料： 高熔点金属高熔点金属; 高原子间结合力材料高原子间结合力材料 (金属间化合物等金属间化合物等)： 致密的晶体结构致密的晶体结构（FCC、HCP、TCP）、低的层错能、低的层错能 合金元素：合金元素：

16、加入高熔点、难扩散合金元素固溶强化加入高熔点、难扩散合金元素固溶强化 低界面能低界面能共格粒子共格粒子沉淀强化（粒子长大区动力小）沉淀强化（粒子长大区动力小） 高稳定性粒子弥散强化：高稳定性粒子弥散强化：ODS 晶界强化：晶界强化： 阻止晶界滑动：晶界上析出第二相粒子钉扎晶界、锯齿状晶阻止晶界滑动：晶界上析出第二相粒子钉扎晶界、锯齿状晶界、弯曲晶界等界、弯曲晶界等 微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：降低晶界移动性、微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：降低晶界移动性、阻止晶界迁移阻止晶界迁移 减少晶界减少晶界(粗晶粒粗晶粒); 消除横向晶界：定向凝固柱状晶合金消除横向晶界：定向凝固柱状晶合金 消除全部晶界：单晶合金消除全部晶界：单晶合金由于其极低的界面由于其极低的界面能，利用能，利用共格粒子共格粒子沉淀强化沉淀强化是强化是强化高高温结构材料温结构材料的主要的主要途径之一：例如途径之一：例如镍基高温合金镍基高温合金 g g (Ni3Al)/g-g-Ni高稳定粒子弥散强化：高稳定粒子弥散强化： ODS高温合金高温合金晶界晶界高温变形簿弱环节！高温变形簿弱环节！晶界滑动晶界滑动 晶界迁移晶界迁移TTcs晶界