（凝聚态物理专业论文）纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究.pdf

摘要 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 摘要 本工作系统地研究了以 为转轴的纯铝( 9 9 9 9 9 ) 双晶中对称倾侧晶 界( 包括小角度晶界、大角度高和低重位点阵晶界) 的内耗。着重考察高、 低重位点阵晶界的晶界内耗特点。七种倾侧晶界的取向差分别为：7 5 0 ，9 3 0 ， 1 4 5 0 ，3 3 4 0 ，3 6 0 0 ( 一5 ) ，4 1 2 0 ，4 3 1 0 ( 2 9 ) 。在所有的双晶试样中，都观 测到一个由晶界引起的明显的弛豫型内耗峰。小角度晶界的弛豫参量与大角度晶 界的明显不同，大角度高晶界的弛豫参量与无规晶界的在同一水平。而低( 5 ) 重位点阵晶界的弛豫参量，与小角度晶界、大角度高和无规晶界的弛豫参 量有明显差别。这反映出不同类型晶界结构的不同特点。 利用耦合模型对晶界内耗数据进行了深入的分析，发现不同类型晶界弛豫的 耦合强度不同。小角度晶界的耦合强度较低，耦合作用对晶界弛豫的影响可以忽 略，根据其激活参量和位错结构，小角度晶界内耗的基本机制可归因于位错攀移。 大角度晶界的耦合强度较大，其较高的测量激活能是由弛豫元间的强耦合作用引 起的。经过解耦后，发现不同类型大角度晶界内耗的本征激活能在同一水平，与 晶界扩散激活能相近，因而大角度晶界内耗的基本机制可归因于晶界扩散。 本工作还测量了以 为转轴纯铝双晶中不同取向差的倾侧晶界的内耗。 观察到小角度晶界和大角度无规晶界的激活参量，与 系列的相符。但3 重位点阵晶界不出现明显的内耗峰，其原因有待进一步研究。此外，本工作还考 察了晶界面密度( 单位体积试样中的晶界面积) 与晶界内耗之间的关系。 关键词：内耗，双晶，晶界，耦合模型 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n so nt h ei n t e r n a lf r i c t i o ni np u r ea l u m i n u mb i c r y t a l s w i t hd i f f e r e n tt y p e so fg r a i nb o u n d a r i e s a b s t r a c t t h ei n t e r n a lf r i c t i o no fs y m m e t r i c a lf l i tg r a i nb o u n d a r i e s ( g s s ) i np u r ea l u m i n u m ( 9 9 9 9 9 ) b i c r y s t a l sw i t h t i l ta x i s ( i n c l u d i n gl o w a n g l e ，h i g h a n dl o w h i g h - a n g l eg b s ) h a sb e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d s p e c i a le m p h a s i si sp u t o nt h e b e h a v i o ro fh i g h a n dl o w h i g h - a n g l eg b s t h em i s o r i e n t a t i o n so ft h eg b sa r e ： 7 5 0 ，9 3 0 ，1 4 5 0 ，3 3 4 0 ，3 6 0 0 ( 5 ) ，4 1 2 0 ，a n d4 3 1 0 ( 2 9 ) as u b s t a n t i a li n t e r n a l f r i c t i o np e a ka s s o c i a t e dw i t hg br e l a x a t i o ni so b s e r v e di ne a c ho ft h eb i c r y s t a l s a n ( b v i o u sd i f f e r e n c ei nr e l a x a t i o n p a r a m e t e r s i sf o u n db e t w e e nl o w - a n g l ea n d 1 l i g h - a n g l eg b s t h er e l a x a t i o np a r a m e t e r so fh i g h ( e 2 9 ) h i g h - a n g l eg b sa r e s i m i l a rt ot h o s eo fg e n e r a lh i g h - a n g l eg b s t h er e l a x a t i o np a r a m e t e r so fl o w ( x 5 ) h i g h - a n g l eg b sa n d t h en e a r - c s lg b sa r eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo fl o w a n g l e 、 h i g l l a n dr a n d o mh i g ha n g l eg b s t h ed i f f e r e n c ei nr e l a x a t i o np a r a m e t e r sa m o n g d i f f e r e n tt y p e so fg b si si n t e r p r e t e di nt e r m so fd i f f e r e n tm i c r o - s t r u c t u r e s b yu s i n gac o u p l i n gm o d e l ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fg bi n t e r n a lf r i c t i o ni nt h e b i c r y s t a l sa r ef u r t h e ra n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tt h ec o u p l i n gs t r e n g t h sa r ed i f f e r e n t b e t w e e nl o w - a n g l ea n dh i 【g h - a n g l eg b s t h ec o u p l i n gs t r e n g t hi nl o w - a n g l eg b si s w e a k ，s ot h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ec o u p l i n ge f f e c tc a nb en e g l e c t e d b a s e do nt h e i r r e l a x a t i o np a r a m e t e r sa n dd i s l o c a t i o ns t r u c t u r e ，t h eb a s i cm e c h a n i s mo fg bi n t e r n a l f r i c t i o nf o rl o w a n g l eg b sc a nb ea t t r i b u t e dt od i s l o c a t i o nc l i m b t h ec o u p l i n g s t r e n g t hi nh i g h - a n g l eg b s ，e s p e c i a l l yi nl o w c s lg b s ，i sm u c hs t r o n g e r ，t h e i r 1 l i g ha c t i v a t i o ne n e r g i e sc a nb ea t t r i b u t e d t o s t r o n g e rc o u p l i n gs t r e n g t hb e t w e e n r e l a x a t i o nu n i t s a f t e rd e - c o u p l i n g , t h ei n t r i n s i ca c t i v a t i o ne n e r g i e sa r ef o u n dt ol o c a t e a tt h es a m el e v e la n dn e a rt ot h o s eo fg bd i f f u s i o n ，a n dh e n c et h eb a s i cm e c h a n i s mo f g bi n t e r n a lf r i c t i o nf o rh i g h - a n g l eg b sc a nb ea t t r i b u t e dt og bd i f f u s i o n t h eg bi n t e r n a lf r i c t i o no f t i l tg b sw i t hd i f f e r e n tm i s o r i e n t a t i o n si np u r e a ib i c r y s t a l si sa l s oi n v e s t i g a t e d t h ea c t i v a t i o np a r a m e t e r so fl o w - a n g l ea n d i i h i g h - a n g l er a n d o mg b s a r ef o u n dt ob es i m i l a rt ot h o s eo f s e r i e s b u tf o rt h e 3b i c r y s t a l ，t h eg bi n t e r n a l 衔c t i o np e a kw a s n o to b s e r v e d ，a n dt h er e a s o ni st ob e f u r t h e re x a m i n e d i na d d i t i o n , t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea r e ad e n s i t yo fg b ( i e ，g b a r e ai nu n i tv o l u m eo fs p e c i m e n ) a n dg bi n t e r n a lf r i c t i o ni sa l s os t u d i e d k e yw o r d s ：i n t e r n a lf r i c t i o n , b i c r y s t a l ，g r a i nb o u n d a r y , c o u p l i n gm o d e l i i i 本人声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权 的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单 位。 本人签名：整丝垒越 日期： 至竺2 ：! 兰! ! 星 第一章绪论 第一章绪论 晶界作为晶体材料中的一种二维面缺陷，虽然其密度( 单位体积内的面积) 很低，但对晶体材料的性质却能产生重要的影响。相对于晶粒内部，晶界具有较 高的能量，在化学介质中不稳定，容易产生晶界腐蚀；晶界在低温下阻碍位错的 运动，引起强化，可以提高材料的强度；晶界在高温下容易发生运动，成为材料 强度的薄弱环节。晶界对晶体材料的物理性质( 如电导率、磁性能及超导性能等) 、 化学性质( 如腐蚀性等) 、尤其是材料的力学性质( 强度、塑性、疲劳、断裂及 蠕变等) 都有很重要的影响。因此，晶界研究一直是固体物理和材料科学的一个 重要内容。 晶界的结构和性质，晶界结构变化对晶界性质的影响，以及晶界与其他缺陷 之间的交互作用是晶界研究的重点。晶界设计与控锘f j 1 3 】的目标是运用掌握的晶 界一材料性能的关系，能够设计出并实际控制所需结构的晶界，以达到改善材料 的性能，发展新材料的目的。 1 1 1 晶界的定义和类型 1 1 晶界的结构和性质 实际使用的晶体材料通常是多晶体，其中各晶粒的晶体点阵取向互不相同。 通常把晶体结构和组成成分相同，但取向不同的相邻晶粒间的界面，称为晶粒间 界，简称晶界( g r a i nb o u n d a r y ) 。它是最为常见的一种界面。如图1 1 所示，图中 包围着晶粒的黑线表示晶界。晶界包围着的部分称为晶粒，它们是由具有周期性 结构的格点组成的。晶界就是从一个晶粒到相邻另一个晶粒的过渡区域。场离子 显微镜和高分辨透射电子显微镜等近代实验观察表明，晶界层的厚度通常仅为2 3 个原子层厚 4 6 】。 在多晶中，晶粒中的晶格点阵取向是互不相同的，相邻晶粒之间的错配就产 生了晶界。图1 2 表示不同取向晶粒示意图。晶界就出现在相邻不同取向的晶粒 边缘交界处。可以看出，晶粒尺寸越小，单位体积试样中晶界面积所占的比例越 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 大。 图1 1 多晶结构示意图。 图1 2 不同取向的晶粒示意图。 在三维空间中，晶界在宏观上具有五个自由度【3 ，6 ，7 】，一个为两个晶粒之间 的位相差0 ；产生位相差的转轴的方向余弦有2 个自由度：另j b 2 个为晶界面法线 的方向余弦。晶界一侧的晶粒可以看成是晶界的另一侧晶粒绕一个转轴r 旋转0 角而得到的，0 即为取向差( m i s o d e n t a t i o n ) 。当晶界面平行于转轴时，称为倾侧晶 界；当晶界面垂直于转轴时，称为扭转晶界。所以晶界可分为简单的倾侧晶界( t i l t b o u n d a r y ) 和扭转晶界( t w i s tb o u n d a r y ) ，以及兼有二者分量的混合晶界。一般认为， 当取向差较小时( 0 一1 5 。) ，称为大角度晶界( 1 l i g h - a n g l eg r a i nb o u n d a r y ) 。 1 1 2 晶界结构模型 晶界微观结构的研究已经有很长时间的历史。最初，人们提出非晶胶结假说 3 ，5 ，8 】，认为晶界作为两个临近晶粒之间的过渡区域，是由一层非晶态薄膜构成 的，即晶界区域的原子是完全紊乱的状态。但是人们很快就发现晶界虽然是两个 晶粒之间很薄的过渡层，但它的许多性质具有各向异性。所以又提出晶界的过渡 点阵理论 9 。1 9 3 9 年b u r g e r s 、1 9 4 0 年b r a g g 先后建立了晶界的位错模型 1 0 - 1 1 ， 1 9 5 0 年f r a n k , 进- - 步完善了晶界的位错模型理论 1 2 】，使其成为近代晶界结构模型 的基础。1 9 5 3 年r e a d 发展了小角度晶界的位错模型 1 3 】。四十年代末，m o t t 提 第一章绪论 出了小岛模型 1 4 3 ，葛庭隧提出了无序原子群模型 1 5 】。1 9 5 1 年，s m o l u c h o w s k i 在 小岛模型和无序原子群模型的基础上，对不同取向差的晶界结构进行了描述 【1 6 。1 9 5 8 年，f r a n k 提出了大角度晶界的重位点阵模型( c s l 模型) ，1 9 6 7 年， b o l l m a n 建立了。点阵模型【1 7 】，随后又提出t d s c 点阵模型 1 8 】。1 9 8 3 年，s u u o n 和v i t e k 根据计算机模拟结果提出晶界的结构单元模型 1 9 】。后来，还有很多其它 的理论模型出现，如平面匹配模型 2 0 】，多面体堆垛模型等 2 1 ，2 2 。其中比较 重要的理论模型有位错模型、小岛模型，无序原子群模型，c s l 模型和结构单元 模型等。 1 1 2 1 小角度晶界位错模型 一般认为，相邻晶粒之间的取向差0 一1 5 0 ) ，从 式( 1 1 ) 和( 1 - - 2 ) 可以看出位错间距将变得很小，甚至可能小于原子间距，这样 就可能会导致位错芯相互重叠，传统的位错概念不再成立，这个模型也不再有效。 第一章绪论 图1 5 扭转晶界的位错模型 3 】。 1 1 2 2 大角度晶界模型 小角度晶界的位错模型不适用于大角度晶界的情况，因此大角度晶界需要寻 找另外的模型来描述其结构，并解释所观察到的实验事实。 小岛模型 m o t t 的小岛模型 1 4 】认为晶界中包含了许多直径为几个原子间距的小晶块， 即“小岛”这些小岛散布在原子排列较为混乱的区域中，而小岛内则保持着原子 排列整齐的晶体结构，如图1 6 所示。 无序原子群模型 葛庭燧的无序原子群模型 1 5 】认为存在着许多无序原子群”，而它们的周围 则被原子排列整齐的“好区”所环绕，图1 7 表示被”好区”环绕的许多无序原子群 中的一个。 上述的小岛模型和无序原子群模型，实际上并没有很大区别，只是二者的着 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 眼点不同。小岛模型认为：在无序的晶界基体中包含着一些有序区( 小岛) ；而无 序原子群模型认为：在有序的晶界基体中包含着一些无序区。二者的共同点是： 都认为晶界中既包含有序区，也包含无序区。 图1 6m o r t 的小岛模型 3 】。 图1 7 葛庭燧的无序原子群模型【5 】。 m o t t 提出的小岛模型和葛庭燧提出的无序原子群模型是最早提出来的大角 度晶界微观结构模型，但这些模型只是定性的描述。六十年代，出现的重位点阵 ( c s l ) 模型，o 点阵模型和d s c 模型以及结构单元模型，从几何学的角度对大角 度晶界两侧原子排列的组态进行了定量的描述，其中尤以c s l 模型获得了较广泛 韵认可。 一 ， 重位点阵( c s l ) 模型 1 9 5 8 年，f r a n k 针对大角度晶界提出了重位点阵模型( c o i 埘d 饥c es i t el a t t i c e ， 缩写为c s l ) 。该模型的基本概念是：设想两个相邻晶粒靠近时，它们各自的点 阵相互穿插，在晶界处会合，这两个晶粒通过转轴 h 如和转角。相互联系起来。 如果转角是任意的，并不一定存在两个晶体的点阵重合而形成的新的重合位置点 阵。但当。为某些特定的角度时，两个晶体某些互相重合的阵点就形成了新的重 合位置点阵，它具有周期性。重位点阵晶界模型认为，当晶界为重位点阵晶界时， 晶界面处的原子吻合较好，晶格畸变程度小，界面能量较低。 为了表示晶界上重合阵点的比例，人们引入了“重合位置密度 概念表征重 位点阵的特征。以符号i z 表示，它的定义是晶界上重合阵点数在总阵点数中 所占比例的倒数。用公式可以表示为： 第一章绪论 f 重位点阵单胞的体积重位点阵单胞中的阵点数 ， =-_-_-_-_。一=一 厶晶体点阵单胞的体积晶体点阵单胞中的阵点数 ( 1 3 ) 也就是说，的数值越大，则重合位置的比例( 1 ) 越小。反之，的数值越小， 则重合位置的比例( 1 ) 越大。 构造c s l 点阵有两种方法，f r i e d e l - g o u x 和f r a n k r a n g a n t h a n 法。后一种方法 较常用，它用直角坐标对称旋转确定重合数。对于立方晶系，可归纳成两个关系 式： t a i l 旦：y 4 h 2 + k 2 + 1 2 2 石 ( 1 呦 z = z 2 + y 2 ( 2 + 后2 + ，2 ) ( 1 5 ) 式中y 和x 是没有公因子的整数， hkl 】为公共转轴方向，取奇数( 如果得到的 是偶数，则除以2 ，直至得到奇数) 。对一定的晶格点阵，只有绕某些转轴转动 特定的角度e ，才可能出现c s l 晶界。图1 8 给出了e - - 5 的重位点阵晶界示意图。 ( a )( b ) 图1 8 面，t ) , c r 方晶粒绕 1 0 0 轴旋转3 6 9 。所形成的重位点阵晶界， 黑点表示重位阵点；( a ) 倾侧晶界，( b ) 扭转晶界【3 】。 表1 - 1 列出了立方结构的部分c s l 晶界的值。 a l 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 表1 - 1 立方结构的部分c s l 点阵【3 ，2 3 。 角度转轴 36 0 0 5 3 6 9 0 7 3 8 2 0 9 3 8 9 0 d b d r ( 1 8 ) 晶界偏聚指的是晶粒中的微量杂质原子向晶界的偏聚。世界上绝对纯的材料 是不存在的，即使是号称高纯的材料，其中也不可避免地含有少量的杂质原子。 而杂质原子在多晶材料中的分布是不均匀的。它们往往优先地向晶界偏聚，形成 了晶界偏聚现象。也有人把这种现象称为“晶界偏析或“晶界内吸附 。晶界 偏聚的原因是很容易理解的。溶质原子的尺寸如果与基体原子有较大的差异，在 晶粒内部的溶质原子将产生较大的畸变能。在晶界层内原子排列比较稀松，溶质 原子处在晶界上的畸变能要小得多。畸变能的差值就是溶质原子向晶界偏聚的驱 动力。溶质原子由晶粒内部向晶界偏聚，一般将导致系统自由能的降低。 晶界偏聚对材料的性能有重要的影响 3 2 3 5 。例如一些有害杂质( 如a s ，s n , s b 等) 在钢中晶界的偏聚，降低了晶界的结合力，可以加剧钢的脆性。而另一些 有利的杂质( 如c ，b ，b e 等) 在钢中晶界的偏聚，则提高了晶界的结合力，可以减 少钢的脆性，提高钢的韧性。利用这方面的知识，在金属间化合物n i 3 a l 的晶界 中加入适量的硼( b ) ，可以极大地改善晶界韧性，从而克服了n i 3 灿的晶间断裂问 第一章绪论 题。这是利用晶界偏聚改善材料性能的一个成功的例子。 环境和介质引起的材料腐蚀是造成材料或机械部件失效的一个重要原因。在 腐蚀介质下，晶界与晶内相比，晶界是易受腐蚀区。通过特殊的加工和热处理工 艺，可以提高低重位点阵晶界所占的比例 5 】，从而可以明显提高多晶金属材 料的耐腐蚀性能。 晶界的运动 晶界的运动可分为滑动和迁移两种。前者是指晶界两侧的晶粒沿平行于晶界 面的方向相对运动，后者是指晶界沿垂直于晶界面方向的移动。实验【5 ，3 6 发现， 在实际的晶界运动过程中，晶界的两种运动方式往往是同时进行，密不可分的。 多晶体中的晶界和晶粒的相对强度随着温度的高低而不同。在低温和常温下，晶 界的强度高于晶粒，晶界可以阻碍晶粒内位错的滑移，因此一般发生穿晶断裂； 而在高温下，晶粒的强度高于晶界，晶界起弱化作用，晶界本身的运动将在形变 和断裂中占有重要的位置，因而一般发生晶间断裂。 1 1 4 晶界研究技术简介 在晶界研究技术中，金相观察是最早的，也是最基础的研究晶界的方法。直 到今天，金相技术仍然是最常用来研究晶界的手段。高温金相技术的出现，更是 为晶界运动研究提供了有利手段。随着透射电镜、高分辨电镜和场离子显微镜等 技术的飞速发展，为直接观测晶界的微观结构创造了有利条件，现在已经能够观 测到晶界的微观结构，甚至可以看到晶界上的原子图像 3 3 ，3 7 3 9 。此外，还 可以通过界面原子衬度像 4 0 】，三维原子探针技术【4 1 】进行界面微区的微量元素 种类和定量分析。 虽然这些现代高科技技术手段在微观尺度上对晶界的微观结构研究取得了 很大进步，对晶界结构和性质的研究作出了巨大的贡献，但它们也有自己的缺点。 这些技术手段的研究对象大多是静态条件下的晶界上的某一微小区域。虽然取得 了大量成果，但这些显微技术对试样的制备有比较严格的要求，往往导致观测到 的晶界已经发生了结构弛豫，与原始试样内部晶界的实际结构有所不同。其次， 要研究晶界的性质，必须考察外部环境对不同晶界的影响，才能找出晶界结构( 微 观) 与晶界性质( 宏观) 之间的联系。 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 近年来，随着计算机技术的突飞猛进，在密度泛函理论基础上籍助a bi n i t i o 等大型分子动力学模拟软件，利用计算机来模拟晶界结构的研究也逐渐成为研究 热点 4 2 4 4 】。计算机技术不仅能够模拟静态条件下晶界的结构，也能够模拟晶界 在外部条件变化( 如温度变化，施加外应力) 的情况下发生的弛豫。但计算机模 拟技术也受到软硬件等多方面的限制。例如，计算机运算速度和计算量的大小， 计算软件编程中对各种条件( 如势函数，边界条件等) 大量的简化和假设，可能 使计算结果和实际情况相符合的程度大大降低。 内耗技术在晶界研究中的独特作用 内耗技术 5 ，4 5 1 作为一种力学测量手段，能够无损地、灵敏地测量出在外界 应力激发下，试样内部的晶界结构发生弛豫的情况，并以此来判断试样内部晶界 的运动情况，从而可以在宏观角度考察晶界性质对晶界结构的依赖关系。可以说， 内耗测量技术是联系宏观性质研究和微观结构研究的一个桥梁。本论文就准备利 用内耗测量技术来研究双晶晶界的弛豫性质。 研究特定条件下的晶界行为，特别是考察特定晶界结构对外部作用的响应， 用直接微观观测方法研究，在技术上还有很多困难。例如关于晶界微观结构( 包 括杂质状态) 随温度或外力( 单向或循环载荷) 的变化等的动态过程的直接观测， 文献上还很少报道。相比之下，内耗技术 5 ，4 5 - 4 9 】( 或称机械振动能吸收谱) 在 研究材料内部微结构或微观缺陷及其变化方面有很多优势。与其他谱技术类似， 它是研究固体对外部机械作用的响应( 或弛豫) ，并通过这种响应特征来研究固 体内部缺陷的种类和性质。作为外部机械探测场的可以是应力或应变，它们可以 是准静态的或周期的，而且如果保证其量级足够小，就不会引起被测物体的永久 损伤。我们还可以使用温度、频率、磁场等其他外场来研究晶体内部缺陷随外场 发生的变化。 由此可见，内耗方法可以灵敏地探测出晶界在外部作用下的动态弛豫过程， 从而把微观的晶界结构和其表现出的宏观性质联系起来。 1 2 晶界内耗的研究 1 2 1 晶界内耗峰的发现 1 9 4 7 年，葛庭燧先生第一次利用扭摆装置，在多晶纯铝( 9 9 9 9 1 ) 试样中 第一章绪论 发现了一个坐落在2 8 5 ( 振动频率为0 8 h z ) 的内耗峰。由于该峰在单晶铝中不 出现，因而葛先生认为它是由晶界过程引起的内耗峰( 如图1 1 1 所示) ，并从实 验上证明了晶界具有粘滞性 5 ，5 0 5 1 。测得晶界弛豫的激活能为1 4 8 e v ，与纯 铝的自扩散激活能接近。随后，在其它纯金属和合金的多晶中( 女l m g , c u , f e ， a b r a s s 等) 也观察到了类似的内耗峰 5 ，4 5 ，5 2 】( 图1 1 2 ) 。后来这个与晶界运动有 关的内耗峰被称为晶界内耗峰或葛峰( k e p e a k ) 。目前，晶界内耗峰已经被广泛的 应用在晶体材料中的晶界结构和变化的研究上 5 ，5 3 5 6 。 根据实验结果，葛先生指出，晶界内耗峰是由晶界滞弹性滑动引起的，并据 此提出了晶界黏滞滑动模型。 ， rl k 柙h 椎。 l1 1 一 、 k “j 。s i n g l ec r ，t t - r j ；m 。“r ， -氏、 一、j 警 - 簟叠憾 n 。 l 、 多绷 、 。x ( a )( b ) 图1 1 1 ( a ) 多晶纯a l 和单晶a 1 内耗随温度的变化；c o ) 切变模量随温度的变化 5 】。 1 2 2 多晶纯金属材料中晶界内耗的研究 多晶材料中影响晶界内耗的因素很多，主要有晶体元素种类，杂质含量，晶 粒尺寸、晶粒取向等。 如图1 1 2 ，可以看出在不同元素的多晶试样中，晶界内耗峰的峰温、峰高等 参数都存在很大差别，说明晶界内耗峰与试样的元素种类或晶格类型有较大的关 系。因为元素种类或晶格类型不同可以导致晶界扩散难易的差别。 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 i i 口黄一 1 - 。 i i - - t i 2 0 0 3 0 04 0 05 朔 r 【 图1 1 2 几种金属中的内耗( a 1 ，m g , c t h0 c b r a s s ) 【5 】。 葛先生的早期工作指出，当晶粒尺寸小于试样直径时，晶界峰的高度与晶粒 尺寸无关。但从图1 1 2 可以看出，即便是晶粒尺寸小于试样直径，许多纯金属 内耗峰的高度也远小于多晶纯铝( 9 9 9 9 1 ) 的内耗峰的高度。 后来，有工作指出，内耗峰的高度与晶粒尺寸的n 次方成正比，n 是介于l 和2 之间的指数。但也有一些实验发现峰高与晶粒尺寸无关。虽然b u n g a r d t 和 p r e i s e n d a n z 关于z r ( 9 9 8 ) 的工作( 图1 1 3 ) 表明，随着晶粒尺寸的增大，晶界内 耗峰峰高显著降低并移向低温。这种现象也可以解释为可能与晶界吸附的杂质随 晶粒尺寸增大而增加有关，因而峰高的降低和峰温的降低并不能完全解释为晶粒 尺寸的增大；k o s t e r 等关于a u ( 9 9 9 9 ) 的工作也指出，晶界内耗峰的高度和峰宽 并不只依赖于晶粒尺寸，还与试样具有这种晶粒尺寸所经历的预先热机械加工处 理有关。这些实验【5 】都说明不能单独从晶粒尺寸的尺度上解释其对晶界内耗峰 高度( 弛豫强度) 的影响。 第一章绪论 o o 泓 o 眈o 0 0 1 6 口0 0 1 2 o 8 o j 珥 o lhl ! 粒尺寸 j 【“m ) 一f 厂w 。f 一 崩j 、聪t 咖 - 懿趔置 3 4 0 0 $ 0 06 0 07 0 08 0 0 7 ( 图1 1 3 晶粒尺寸对z r 的内耗曲线的影响【5 】。 某些种类的微量杂质对晶界内耗峰也可能具有较大的影响。实验 5 】指出，铁 的晶界内耗峰在试样中碳的含量达n o 0 0 4 w t 就明显降低，达n o 0 7 时就完全 被抑制了。高纯铜试样在氩气氛中进行连续退火的内耗测量表明，晶界峰的峰高 逐渐降低，并且峰温向低温移动，如图1 1 4 。这可以解释为高温退火过程中，有 氧气渗入，并在晶界处形成氧化物颗粒造成的。 各个晶粒在多晶中的取向关系对晶界内耗峰也有显著的影响。颜鸣皋和袁振 民 5 7 】研究了不同冷轧变形量的冷轧铜板( 9 9 9 7 c u ) 经再结晶退火后晶界内耗峰 的变化。发现当试样中晶粒取向是无规的( 即晶粒取向差较大) ，晶界内耗峰的 高度比较高；而当试样中的晶粒取向集中到某一方向( 织构) ，使晶粒间的取向 差减小时，晶界结构变为类似小角度晶界的位错结构，内耗峰很低甚至不出现内 耗峰。 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 o 伪 瓴缎 。瓴0 3 饥缎 瓴们 八静)力 、k黝 缀 ? l ， l ， 妨 7 膨争 爹 l o1 0 0瑚鞠4 0 0 蛐 6 0 0 r 瀚 图l 。1 4 高纯铜连续退火的晶界内耗【5 】。 综上所述，从以往关于晶界弛豫的大量实验可以看出，影响晶界弛豫的因素 是多方面的。除了晶界本身的因素，这包括晶界的几何学构型，例如它的平滑程 度，晶界两边的取向和错配关系；还要考虑外在的因素，如杂质的吸附等。这些 因素都可能影响晶界的性质，使晶界内耗发生不同的变化。 1 2 3 杂质和合金元素对晶界内耗峰的影响 根据杂质含量的多少，其在晶界上的存在状态可以是固溶状态，团簇颗粒或 直接析出沉淀在晶界上。无论其形态如何，都会影响晶界的弛豫过程，从而影响 晶界内耗峰的峰温，峰高和形貌，甚至可以引起新的内耗峰的出现。我们可以把 “完全”不含杂质( 或所含的微量杂质不产生严重影响) 的晶界内耗峰叫做纯净晶 界内耗峰( 也叫做溶剂峰或p m 峰) ，把含有固溶态杂质的晶界峰叫做固溶晶界峰 ( 也叫溶质峰或s s 峰) 。相应的，如果杂质或合金元素以沉淀状态存在时的晶界 峰称为沉淀晶界峰【5 】。 固溶晶界内耗 在含有杂质的f e e 金属，如c u ，a g ，a 1 等中，实验 5 】研究表明，都可以观测 到固溶晶界峰，它一般出现在较p m 峰为高的温度，并且激活能较高。在固溶晶 界内耗峰情形下，激活能表现出随纯度的增加而减小的趋势，这说明激活能与溶 质有关系。但有时很难区分出所观测到的内耗峰的变化是否包含着溶质峰的贡 第一章绪论 献，或者很难把两个峰区分开来。因而，固溶晶界内耗峰与杂质偏聚的关系相当 复杂。 沉淀晶界内耗 晶界上的沉淀颗粒对晶界弛豫有着强烈的影响，因晶界沉淀引起沉淀晶界峰 的实验研究比较多 5 8 ，5 9 。沉淀颗粒一旦在晶界处形成，就会对沿晶界的粘滞滑 动产生阻碍，起着类似于晶界三叉交点的作用，这就使晶界滑动的距离限制为两 个沉淀颗粒之间的距离，使弛豫时间变短，从而晶界峰峰温出现在较低温度。并 且，随着沉淀颗粒之间的距离变短，晶界峰的峰温向低温移动，峰高也逐渐降低 直至消失。因此可以认为：对于沉淀晶界内耗峰来说，决定晶界弛豫的弛豫时间 以及峰温t p 的主要因素是沉淀颗粒的间距。 1 2 4 竹节晶晶界内耗 以上所报道的晶界内耗峰的实验结果大都是多晶试样中晶粒尺寸小于试样 直径的结果。1 9 8 4 年，葛先生等 5 ，5 5 在深入研究晶粒尺寸对纯铝晶界内耗峰的 影响的过程中发现，当试样的晶粒尺寸逐步增大，大于试样的直径时，葛峰有变 窄并向低温移动的趋势。他认为这可能是一个新的内耗峰。金相观察发现，这时 的晶界远大于丝状试样的直径，其晶界面大体上与试样轴线方向垂直，类似于竹 节状，因而被称为竹节晶界。这对滞弹性理论 4 5 ，4 7 提出了挑战。因为曾经一直 认为，当试样的晶粒尺寸超过试样直径时，晶界上的三叉结点的抑制作用就不存 在，应力弛豫将不再回复，因而不应该出现晶界内耗峰。 葛先生等针对这一问题作了深入研究 6 0 ，6 1 ，他们发现，葛峰的高度不随晶 粒尺寸而变，而竹节晶界内耗峰的高度与试样中竹节晶界的数目成正比，如图 1 1 5 所示。因而他们把竹节晶试样中所出现的内耗峰称为竹节晶界内耗峰( b b 峰1 ，并指出它是与葛峰不同的新的晶界内耗峰。他们还提出了一个4 参量力学模 型 5 ，5 5 ，6 0 来描述竹节晶界内耗峰的弛豫行为，根据这个模型推导出来的内耗峰 和模量弛豫的表达式，以及内耗峰和模量弛豫出现的实验条件，都与实验结果相 符合。 他们还发现，葛峰随着退火温度的提高而向高温移动，而竹节峰则向低温移 动。对试样进行的透射电子显微镜表明，在竹节晶界附近有位错亚结构出现，因 纯铝双晶中不同类型晶界的内耗研究 此，他们认为：在晶界进行粘滞滑动时，出现在竹节晶界附近并与之相交的位错 亚结构，限制了晶界的粘滞滑动，从而引起内耗峰。 耱尺寸( r a m ) - - - - 竹节纛i 撇茸i 洳， 图1 5( a ) 晶界内耗峰高度与晶粒尺寸之间的关系：l