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南京理工大学博士学位论文定向再结晶及其动力学研究 摘要 材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素。控制晶界结构、实现组织 定向化是改善和提高材料性能的有效手段。定向凝固技术的巨大成就是最好的例 证。但是定向凝固也有其局限性，首先，对不经历液固相变过程制备的零件，如粉 末冶金制品，则无法应用定向凝固技术；此外，在定向凝固过程中，金属熔体要在 模壳中长时间保温，不仅能耗高，还不可避免地受到污染。因此发展固态组织定向 技术具有重要的科学意义和实际应用价值。本文首先选用纯铁作为模型材料对定向 再结晶过程及其影响因素，定向再结晶动力学及其机制进行了系统的研究。在此基 础上系统研究了实用的含硼f e 6 5 w t s i 高硅钢定向再结晶技术、定向再结晶组织 及其对磁性能的影响。 分别对未冷轧变形、冷轧变形7 0 和冷轧变形8 5 纯铁进行的定向再结晶实验 结果表明，不同冷轧变形量的纯铁在合适的工艺条件下均能获得定向再结晶组织。 然而，冷轧变形量越大，所得到柱状晶的最大长径比反而越小，这与文献中的观点 相矛盾。进一步的研究发现，变形量越大，变形织构越强，在晶界定向迁移过程中 柱状晶前端形成小角度晶界或孪晶界的比例就越大。利用取向钉扎理论很好地解释 了这一新现象的本质。在此基础上提出定向再结晶本质上是晶粒的选择性长大和晶 界竞争迁移的结果，并对柱状晶中形成“岛晶 的现象给出了合理的解释。 定向再结晶动力学实验结果表明柱状晶可以直接从无织构的小等轴晶中长大。 不同的热区温度对应着不同的抽拉速率范围和最佳抽拉速率。在最佳速率，定向柱 状晶的长径比最大。热区温度越高，相应的最佳抽拉速率越大。基于此，建立了定 向再结晶动力学模型：不同热区温度下的最佳抽拉速率对应于该温度晶界迁移速 率。大于最佳抽拉速率，晶界的定向迁移是热激活过程；而小于最佳抽拉速率，晶 界的定向迁移则受控于有效抽拉速率。进而，建立了可以成功预测柱状晶长径比与 定向再结晶工艺关系的动力学方程。并计算出纯铁晶界定向迁移表观激活能约为 1 4 4k j t o o l ，这一数值接近于纯铁的晶界自扩散激活能。纯铁柱状晶长大是二次再 结晶过程，存在一个临界粗化温度( 约为6 7 5 。c ) ，低于该临界温度，二次再结晶不 能发生，因此不能实现定向再结晶。 实用的含硼f e 6 5 w t s i 高硅钢定向再结晶过程符合本文建立的定向再结晶动 力学模型，证明该动力学模型适用于铁基固溶体合金。含硼f e - 6 5 w t s i 高硅钢柱 状晶定向长大也是一个二次再结晶过程。其临界粗化温度约为1 0 5 0 ，晶界定向迁 移的表观激活能约为3 3 2k j m o l ，远远高于纯铁的1 4 4k j m o l 。表明含硼f e 6 5 w t s i 高硅钢晶界迁移要消耗比纯铁大得多的能量。 利用x 射线能谱( e d s ) 和俄歇能谱( a e s ) 研究了含硼f e - 6 5 w t s i 高硅钢定向 摘要博士论文 再结晶组织中的溶质元素分布。发现定向再结晶晶界溶质元素s i 贫化，并用晶界平 衡偏聚( 贫化) 理论很好地阐释了这一现象。在定向再结晶前端的移动晶界上存在非 平衡偏聚造成b 元素富集，b 的富集加重了s i 的贫化。晶界上存在的溶质元素阻 碍晶界的定向迁移，致使晶界定向迁移所需的热区温度升高，晶界迁移激活能增大。 定向再结晶含硼f e 6 5 w t s i 高硅钢成功实现了组织定向化，进而实现了磁性 能取向控制，具有重要应用前景。含硼f e 6 5 w t s i 高硅钢在1 1 5 0 定向再结晶过 程中，伴随再结晶定向组织的形成，在主要织构组元间形成小角度和低值的c s l 取向关系，导致形成f 1 1 1 ) 和近 1 l o 织构，使定向再结晶含硼 f e 6 5 w t s i 高硅钢与晶界定向迁移方向呈6 0 0 的矫顽力明显降低。 关键词：纯铁，高硅钢，定向退火，定向再结晶，晶界定向迁移，晶界 结构，织构，磁性能 a bs t r a c t i t i sw e l lk n o w nt h a tm i c r o s t r u c t u r ed r a m a t i c a l l yi n f l u e n c e st h em a t e r i a l sp r o p e r t i e s d i r e c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r ew i t hi m p r o v e dg r a i nb o u n d a r i e sc a ni m p r o v ea n d o re n h a n c e m a t e r i a lp r o p e r t i e s t h eb e s te x a m p l ei st h er e m a r k a b l ea c h i e v e m e n t so fd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n h o w e v e r , t h e r ea r es o m es h o r t a g e sf o rd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e f i r s t l y , t h i st e c h n i q u ec a l ln o tb ea p p l i e dt op r o d u c et h o s ep r o d u c t sw i t h o u tl i q u i d 。s o l i d p h a s et r a n s f o r m a t i o n ，s u c ha sp o w d e rm e t a l l u r g yp r o d u c t s ，e t c m o r e o v e r , m e t a lm e l t m u s tb ec o n t a i n e di nm o u l da th i 。曲t e m p e r a t u r ef o ral o n gt i m ed u r i n gd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n ，t h i sl e a d st oah i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a t e r i a l sc o n t a m i n a t i o n t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n tt os t u d yd i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o nt e c h n i q u e ， b e c a u s et h i st e c h n i q u em a t c h e st h er e q u i r e m e n to fp r o d u c i n gd i r e c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r e a n dm a t e r i a lp r o p e r t i e sc o n t r o l l i n gs i m u l t a n e o u s l yu n d e rs o l i ds t a t e i nt h ep r e s e n tw o r k ， p u r ei r o nw a ss e l e c t e da sam o d e lm a t e r i a lt oi n v e s t i g a t ed i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s s ，t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so fd i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ek i n e t i c s a n d m e c h a n i s m so fd i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o n a n dt h e nt h ed i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o no f f e 6 5 w t s ih i 曲s i l i c o ns t e e la n di t se f f e c to nm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ed i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o no fc o l d r o l l e di r o nw i t ht h i c k n e s sr e d u c t i o no fo ， 7 0 a n d8 5 w e r ei n v e s t i g a f e d i tw a sf o u n dt h a tt h ec o l u m n a r - g r a i n e ds t r u c t u r ec o u l d b ep r o d u c e di nt h es p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n td e f o r m a t i o nd e g r e ea tp r o p e rp r o c e s s i n g c o n d i t i o n s h o w e v e r , t h ea s p e c tr a t i o so fc o l u m n a rg r a i n sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g d e g r e eo fd e f o r m a t i o n t h i si si n c o n s i s t e n tw i t ht r a d i t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o nr e s u l t s t h e f u r t h e r s t u d i e sf o u n dt h a tt h el a r g e rt h ed e f o r m a t i o nd e g r e ei s ，t h es t r o n g e ri st h e d e f o r m a t i o nt e x t u r e ，w h i c hl e a d st oam u c hh i g h e rp r o b a b i l i t yo ff o r m i n gl o wa n g l eo r t w i nb o u n d a r i e sd u r i n gd i r e c t i o n a lg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o n t h ep h e n o m e n o nt h a tl a r g e d e g r e eo fd e f o r m a t i o nh i n d e r s d i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o nw a se x p l a i n e du s i n g o r i e n t a t i o np i n n i n g b a s e do nt h e s er e s u l t s ，i tw a sp r o p o s e dt h a tt h em e c h a n i s mo f d i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o ne s s e n t i a l l yc a nb ed e s c r i b e da ss e l e c t i v eg r o w t ha n d o r c o m p e t i t i v em i g r a t i o no ft h eg r a i nb o u n d a r i e s “i s l a n dg r a i n s f o r m a t i o ni nc o l u m n a r g r a i n sw a sa l s oe x p l a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fk i n e t i c ss h o wt h a tac o l u m n a r - g r a i n e ds t r u c t u r ec a n s u c c e s s f u l l yg r o wf r o ms m a l la q u i a x e dg r a i n sw i t h o u tt e x t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v et h ee x i s t e n c eo fb o t ha l o w e ra n da nu p p e rl i m i to ft h ew i t h d r a w i n gv e l o c i t yf o r c o l u m n a rg r a i ng r o w t ha te a c hh o tz o n et e m p e r a t u r e ( h z t ) i m p o r t a n t l y , t h e r ei sa n i i i a b s t r a c t 博士论文 o p t i m u mw i t h d r a w i n gv e l o c i t ya tw h i c ht h el a r g e s ta s p e c tr a t i oo fc o l u m n a rg r a i n sc a n b eo b t a i n e d a st h eh z ti n c r e a s e s ，t h el a r g e s ta s p e c tr a t i oo fc o l u m n a rg r a i na sw e l la s t h eo p t i m u mw i t h d r a w i n gv e l o c i t yi n c r e a s e s b a s e do nt h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n t s ，a k i n e t i cm o d e lw a sp r o p o s e d ：t h e r ei sa o p t i m u mw i t h d r a w i n gv e l o c i t ya te a c hh z t t h e o p t i m u mw i t h d r a w i n gv e l o c i t yc o r r e s p o n d st ot h ev e l o c i t yo fg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o n a tt h ec o r r e s p o n d i n gh z t i nt h er e g i o no fh y p e r - o p t i m u mw i t h d r a w i n gv e l o c i t y , t h e d i r e c t i o n a lg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o ni sat h e r m a la c t i v a t i o np r o c e s s ；i nt h e r e g i o no f s u b 。o p t i m u mw i t h d r a w i n gv e l o c i t y , d i r e c t i o n a lg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o ni sc o n t r o l l e db y t h ee f f e c t i v ew i t h d r a w i n gv e l o c i t y b a s e do nt h ek i n e t i cm o d e l ，ak i n e t i ca p p r o a c hw a s s u g g e s t e dt o c o r r e l a t et h em i c r o s t r u c t u r et o p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h ea p p a r e n t a c t i v a t i o ne n e r g yo fd i r e c t i o n a lg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o ni sc a l c u l a t e da s14 4 k j m o lf o r i r o n ，w h i c hi sc l o s et ot h a to ft h eg r a i nb o u n d a r ys e l f - d i f f u s i o no fp u r ei r o n i na d d i t i o n ， t h e r ei sac r i t i c a lh z t ( 6 7 5 f o ri r o n ) ，b e l o ww h i c ht h ec o l u m n a r g r a i ns t r u c t u r ec a n n o t b ep r o d u c e d t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e k i n e t i cm o d e lp r o p o s e di nt h i sw o r kw a sc h e c k e di n f e _ 6 5 w t s ih i g hs i l i c o ns t e e l t h er e s u l t sp r o v et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ek i n e t i cm o d e lt o f e b a s e ds o l i ds o l u t i o nm a t e r i a l s t h ed i r e c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r ei nh i g hs i l i c o ns t e e lw e r e a l s os u c c e s s f u l l yp r o d u c e db yt h e s e c o n d a r yr e c r y s t a l l i z a t i o n t h ec r i t i c a lh z tf o r d i r e c t i o n a l r e c r y s t a l l i z a t i o n i sa b o u t10 5 0 t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o n e n e r g yo f d i r e c t i o n a lg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o ni sa b o u t3 3 2 k j m o l ，w h i c hi sf a rh i g h e rt h a nt h a to f i r o n ，14 4k j m o l ，w h i c hw a so b t a i n e db yt h es a m em e t h o d t h i si n d i c a t e st h a t ，c o m p a r e d w i t hi ni r o n ，t h eh i g h e re n e r g yb a r r i e rm u s tb ec o n q u e r e di nh i 曲s i l i c o ns t e e ld u r i n g d i r e c t i o n a lr e c y r s t a l l i z a t i o n t h es o l u t ed i s t r i b u t i o n , e s p e c i a l l ys ia n dbo ng r a i nb o u n d a r i e so f h i g hs i l i c o ns t e e l d u r i n gd i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o nw a si n v e s t i g a t e du s i n gx r a ye n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y ( e d s ) a n da u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( a e s ) i tw a sf o u n dt h a tt h es o l u t e o fs ii s d e p l e t e do nt h eg r a i nb o u n d a r y t h i sp h e n o m e n o nc a l lb ee x p l a i n e db y e q u i l i b r i u ms e g r e g a t i o n ( d e p l e t i o n ) t h e o r y t h ebe n r i c h m e n tw a so b s e r v e do nt h e m o v i n gg r a i nb o u n d a r i e sa h e a do fc o l u m n a rg r a i n s t h i se n h a n c e st h ed e p l e t i o no fs io n g r a i nb o u n d a r i e s t h ebe n r i c h m e n to nt h em o v i n gb o u n d a r i e si sa t t r i b u t et ot h e n o n e q u i l i b r i u ms e g r e g a t i o n t h ee x i s t e n c eo f s o l u t ee l e m e n t so nt h eg r a i nb o u n d a r y r e t a r d st h eg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o nd r a m a t i c a l l y , l e a d i n gt ot h eh i g hh z ta n dh i g h a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yf o r d i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o ni nh i 曲s i l i c o ns t e e l d i r e c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r eh a sb e e n p r o d u c e ds u c c e s s f u l l yi nr e c r y s t a l l i z e d t v f e - 6 5 w t s i h i g hs i l i c o ns t e e l t h r o u g hd i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o n f u r t h e n i l o r e o n e n t a t i o nc o n t r o l l i n go f m a g n e t i cp r o p e r t i e sw a sc a r d e do u t w i t ht h ec o l u m n 孙g r a i n e d s t r u c t u r ed e v e l o p i n g ，t h es e l e c t i v eg r o w t ho fc o l u m n a r g r a i n sd 酏e r m i n e st h et e x t u r e e v o l u t i o nd u r i n gd i r e c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o nt h r o u g h f o r m i n gt h el o we n e r g yb o u n d 撕e s t h i sl e a d st ot h ef o r m a t i o no f 1 1 1 a n dn e a r 1 1 0 c o m p o n e l l t sa 1 1 d m e d e c r e a s eo fc o e r c i v i t yi nt h ed i r e c t i o n w i t h6 0 。a l o n gt h ed i r e c t i o no ft h eh e a tf l o w k e y w o r d s ：i r o n ，h i g hs i l i c o ns t e e l ，d i r e c t i 。n a la n n e a l i n & d i r e c t i 。n a l r e c 巧s t a l l i z a t i o n ， d i r e c t i o n a lg r a i n b o u n d a r ym i g r a t i o n ， p r o p e r t i e s g r a i nb o u n d a r y s t r u c t u r e ，t e x t u r e ，m a g n e t i c v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容。可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 南京理工大学博士学位论文定向再结晶及其动力学研究 1 1 引言 1 绪论 材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素，有意识地控制材料的显微 结构，可以使材料获得所需要的优异性能。材料的晶粒形态和分布，晶体学织构以 及晶界结构对材料的物理、力学性能具有重要影响【l 】。已有的大量研究结果表明， 使材料的组织定向化是改善和提高材料性能的有效手段。比如，对于高温合金，在 拉伸应力方向具有晶界平行排列的定向显微结构的多晶体材料具有优良的抗蠕变 性能 2 钏，高的疲劳抗力【5 】，有利于抑制裂纹扩展；组织定向化也被应用于提高磁致 伸缩材料的性能研究上 6 。7 】。用于变压器、电动机铁芯的硅钢片的晶粒形态和晶体学 织构对其铁损和磁导率具有重要影响【8 】。晶界工程方面的研究结果表明，改善晶界 结构，在多晶材料中获取更多的特殊晶界结构有利于提高材料的韧性及塑。| 生 9 , 1 0 1 ， 并明显提高材料的抗腐蚀性能【1 1 | 。 目前，具有定向组织的材料主要是利用铸造过程中控制热流的定向凝固技术制 备。采用定向凝固技术制备机械零部件可以同时满足控形、控构从而达到控性的目 的。定向凝固技术在理论与实践方面都已经取得了巨大成就，其中，利用定向凝固 技术制备的具有定向组织的以镍基、铁基为代表的高温合金航空发动机涡轮叶片等 己在航空航天领域获得了成功应用。尽管利用定向凝固技术制备的具有定向显微结 构的零部件已经成功应用于实际生产，但是定向凝固技术也有其弱点。首先，定向 凝固技术需要将材料加热到熔点以上并保温较长时间，因此能耗较高；第二，定向 凝固过程中熔体要同模壳长时间接触，不可避免地会受到污染；第三，定向凝固过 程中的溶质偏析对材料性能也有较大影响；第四，对于利用机械合金化等粉末冶金 技术制备的合金如钨、钼等难熔金属和合金、氧化物弥散强化高温合金、以及变形 合金等制备的零部件都因其不经历液固相变过程，而无法应用定向凝固技术制备。 因此发展新的组织定向化技术具有重要的科学和实际应用价值。 定向再结晶又称区域退火，是指通过控制热流方向控制合金再结晶晶粒的长大 方向，以获得所需要的具有定向晶粒排列的显微结构或单晶的技术【l2 1 。因此，定向 再结晶技术是固态条件下的组织定向化技术，是制备具有定向显微结构并控制晶粒 取向和晶界结构的有效手段。定向再结晶技术在制备单晶和获取定向组织方面优于 定向凝固技术的一个优势是处理温度低，一次再结晶温度只有( o 3 - 0 5 ) t m ，二次再 结晶温度也只有( o 5 o 8 ) t m ，其中t m 为熔点【l 】；第二，定向再结晶是在固态下完 成而不经历液固相变过程，因而可以实现无法通过定向凝固制备的零部件的组织定 向化；第三，定向再结晶过程因材料同加热炉无接触，因此材料洁净无污染，环境 1 绪论博士论文 友好有利于实现绿色制造；第四，定向再结晶在控制晶粒形态的同时可以控制晶粒 取向和晶界结构，从而为制备特殊晶界创造了条件。因此，这一技术有望被应用到 晶界工程中【l3 1 。第五，对于硅钢等具有晶粒形态和晶体学织构等要求的材料，可望 通过定向再晶界同时控制晶粒形态和织构进而提高其磁性能 1 4 】。 定向再结晶本质上就是通过控制热流方向来控制晶界迁移方向实现晶粒定向 长大并优化晶界结构的过程。因此，其核心问题就是研究材料在定向再结晶过程中 的晶界定向迁移问题。本章首先从晶界迁移的角度，综述其理论基础、研究方法及 最新的研究进展；接下来对晶粒长大及其影响因素进行评述；最后，对定向再结晶 的最新研究进展进行介绍。 1 2 晶界迁移 在多晶材料中，显微结构的演变尤其是再结晶和晶粒长大过程主要是晶界迁移 过程。晶界迁移是材料科学中一个经典而又没有解决的问题 1 5 】。对晶界迁移的研究 已经有很长的历史，并越来越受到材料研究者的重视。这是因为晶界迁移决定材料 在变形、回复、再结晶及晶粒长大过程中显微结构的变化，即材料的晶粒形态、晶 粒尺寸分布、以及晶体学织构等的演变过程。而这些显微结构又决定材料的物理、 化学及力学性能。 1 2 1 晶界迁移机制 小角度晶界和大角度晶界迁移在原子层面是晶界两边的原子跃迁过程。晶界迁 移机制依赖于很多参数。其中晶界结构对晶界迁移机制具有重要影响，在给定的材 料体系中，晶界结构又依赖于晶界取向差和晶界面法向。晶界迁移机制同时受实验 条件的影响，尤其是温度和作用在晶界上的驱动力对晶界迁移机制有重要影响。晶 界迁移机制还受到诸如溶质原子、杂质、空位等点缺陷和织构等材料原始组织的影 响【1 1 。 目前，已经公认小角度晶界的迁移是通过构成晶界位错的攀移和滑移完成，并 可以用位错理论得到很好的解释【l 】。大角度晶界迁移的基本过程是晶界两边晶粒中 原子互相跃迁的结果。这种热激活的原子跃迁模型是最早被应用的晶界迁移模型。 然而有证据表唰1 6 】，晶界可以通过晶界所固有的缺陷如台阶、晶界位错等的运动实 现迁移。在某些情况下，晶界迁移可以类似于无扩散相变一样以无扩散重排的方式 完成，在这种情况下，一组原子发生协同运动。在某种情况下，晶界的滑移和迁移 可能同时发生l l6 | 。 由于在晶界上的原子堆积密度远远小于完整晶体内的堆积密度，因此在晶界上 2 南京理工大学博士学位论文定向再结晶及其动力学研究 存在自由体积或过剩体积。这导致晶界上的溶质原子具有很强的相互作用并形成溶 质气团，在较低的晶界迁移速度的情况下，这种溶质气团可以随晶界运动而迁移并 阻碍晶界的运动。晶界迁移速度的范围是相当大的。例如在晶粒长大阶段，晶界迁 移速度很慢，而在再结晶过程中，晶界可以以很快的速度迁移，甚至高于扩散控制 的相变过程。在这种情况下，晶界扫过高缺陷密度的材料而在晶界后面形成完整晶 粒。然而到目前为止，在再结晶过程中通过晶界迁移完成将高缺陷密度晶体变成完 整晶体的机制还不清楚【l 】。 最近，s c h m i d t 等人【l7 】利用三维同步辐射x r a y 技术原位观察了a 1 再结晶过程 中的晶粒长大过程。研究发现，晶粒的长大是通过局部晶界的突然运动迁移过程完 成的，长大的晶粒是很不规则的形状。他们通过对多个单独晶粒长大现象的研究发 现，这种不规则的局部晶界突然运动迁移过程是典型的晶粒长大方式。这种晶界迁 移方式完全不同于传统模拟晶粒长大过程所用的类似肥皂泡长大一样的稳态迁移。 同时由于利用同步辐射x - r a y 原位技术研究的是块体材料内部晶粒的长大，因此排 除了样品表面能对晶粒长大的影响。他们认为这种长大晶粒形状的不规则和局部晶 界的突然迁移是由于材料显微结构、晶粒取向分布等局部的不均匀等原因造成的。 1 2 2 晶界迁移热力学和动力学 对双晶中单个晶界迁移的研究结果表明，晶界在驱动力p 下以速度v 进行迁移， 晶界的移动速度v 同晶界迁移驱动力尸满足直接的线性关系，即1 ，：御【1 1 。式中m 为晶界迁移率。其中，晶界迁移驱动力尸决定晶界迁移的热力学特性，而晶界迁移 率m 决定晶界迁移的动力学特性1 9 1 。 1 2 2 1 晶界迁移驱动力 研究表明晶界迁移的典型驱动力主要由以下三部分组成 2 0 , 2 1 】： , g = a g v + g 6 + g ( 1 1 ) 式中瓯是以位错等形式存储在材料基体中的储存能，材料的变形量越大，位错等 缺陷密度越高，储存能也越大；a 瓯来源于晶界能的降低，即由晶界面积的减少所 提供的能量；a g , 是材料的表面能。其中材料的表面能一般在薄膜材料或较薄试样 中的晶粒长大时起主要作用。一般的结构材料具有较大的尺寸，因此表面能起到的 作用很小。h e l f e n 等人【2 2 j 的研究表明，在纳米尺度，晶粒长大主要是晶界两侧的原 子随机跃迁机制控制；然而，在较大的晶粒尺度下，晶粒的长大速率由晶界曲率控 制。对于平直晶界，在晶界迁移过程中，原子的跃迁过程类似于扩散过程。图l 。1 为原子通过晶界跃迁过程的能态示意刚2 3 1 。其中，g 1 为原子从晶粒1 跃迁到晶粒 3 1 绪论博士论文 2 中所需的激活能；a g 为原子在晶粒1 中和晶粒2 中的自由能差，即原子跃迁的 驱动力。不同晶粒中的自由能差在再结晶晶粒长大过程中常常由位错、点缺陷等变 形储存能提供。图1 2 给出了单相多晶材料中两个晶粒间晶界的迁移过程。如果面 积为a 的晶界移动- d , 段距离出，那么体系自由能的变化是： ( a ) ( b ) g r a i n b o ：u n d a 吖 0 0 - o ： o 村鲫 图1 1 晶界两侧原子跃迁能态示意图【2 3 】( a ) 能态，( b ) 原子跃迁 f i g 1 1 ( a ) e n e r g ys t a t e so fa t o m sa d j a c e n tt og r a i nb o u n d a r ya n d ( b ) a t o m i cj u m pa c r o s sg r a i n b o u n d a r ) ，【2 3 1 x _ ，卜 图1 2 作用在晶界上的驱动力 f i g 1 2t h ed r i v i n gp r e s s u r eo nab o u n d a r y d g = d r ( a g i - a g 2 ) 口 ( 1 2 ) 因此，作用在晶界上的压力f 等于d g d x ，驱动力( 相当于压强单位) p 为f a ： p = a g = - ( 1 a ) ( d g d x )( 1 3 ) a g 的单位常常用j m 3 或j t o o l 表示，而驱动力p 则常常表示成n m 2 。 4 南京理工大学博士学位论文 定向再结晶及其动力学研究 在晶界迁移速率由晶界曲率控制的条件下，晶界的迁移驱动力来源于相邻晶粒 的曲率差。如果相邻两个晶粒直径为r 。和r ：，则产生的驱动力为1 】： 尸一c 击+ 寺 4 ， 对于孤立的球形晶粒可以认为r = r 2 ，因此， p ：2 y 。b ( 1 5 ) d 、 式中九为晶界能。 1 2 2 2 晶界能 由上面的分析可以看出晶界迁移驱动力在很多程度上决定于晶界能。而晶界能 又严重依赖于晶界结构。根据相邻晶粒间位向差的不同可以将晶界分为小角晶界和 大角晶界。位向差约小于1 5 0 的称为小角度晶界，位向差大于1 5 0 的称为大角度晶 界【1 】。这两种晶界结构完全不同，因此晶界能也不同。小角度晶界能对于晶粒间的 取向差具有较大的依赖关系。r e a d 和s h o c k l e y t 2 4 根据位错理论模型提出了著名的 取向差与晶界能之间的关系公式： 儿= 7 0 0 ( a - l n o ) ( 1 6 ) 式中儿是晶界能，p 是两晶粒间的错配角，和么是常量。其中y o 由下式确定， = y o 巳 ( 1 7 ) y 。是最大晶界能，巩是最大晶界能所对应的晶界错配角。对于小角度晶界，在很 多系统中式( 1 6 ) 给出的理论值同实验值都复合得很好。 大角度晶界根据重合点阵( c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e ，c s l ) 模型可以分为特殊晶界 和随机晶界。特殊晶界是指那些值较小的c s l 晶界，值表征重合点阵占晶体点 阵的比例。大角度随机晶界的晶界能大致为一常数，而晶界能在某些特殊晶界出现 一些尖锐点，形成极小值点。这些点对应于孪晶界或对应于低值的重合点阵晶界。 由于这些晶界上原子排列比较规则，偏离平衡位置小，所以晶界能低【2 5 1 。当c s l 晶界的值大于某一个临界值时，c s l 晶界对晶界能的影响同大角随机晶界没有明 显差别。然而，对于这一临界值的判定，目前还没有统一认识【冽。因为晶界结构 要求由5 个宏观自由度来表征，即除了表征晶界取向差的3 个自由度，还有两个自 由度表征晶界面法向 27 1 。而c s l 模型只能描述表征晶界取向差的3 个自由度，因 此即使在值较小的情况下，晶界能对c s l 晶界值的依赖关系还受到晶界面法 向的影响 2 8 d o 】。同时，晶界结构原子弛豫( a t o m i cr e l a x a t i o n ) 等诸多因素也对晶界能 有重要影响【3 。 s u t t o n 等人对较早的晶界能同晶界错配角的依赖关系的研究进行了评述【2 川。目 5 1 绪论博士论文 前，人们对于大角度晶界的晶界能与晶界错配角依赖关系的研究，尤其是实验研究 还很有限。m o r a w i e c 3 2 】等人模拟了晶界能同晶界错配角的关系，他们假定晶界能只 依赖于晶界取向差，而与晶粒取向无关。他们的模拟结果如图1 3 所示。对于随机 晶粒取向，围绕 旋转轴，晶界能在错配角为3 5 - 4 0 0 和5 5 6 0 0 之间具有极小 值。最近，张建民等人【3 3 】利用改进的嵌入原子法计算了铁中晶界能随晶界错配角的 变化，如图1 4 所示。他们发现，对于法向为 ，旋转轴为 的对称倾侧晶 界，晶界能在晶界错配角为3 6 8 7 0 和6 1 9 3 0 处具有极小值。 6 x e o c m 套0 母 口 c 君0 囊 t - 罂0 口 口 舟0 母 e o z m i s o r i e n t a t i o na n g l e ( d e g r e e ) 图1 3 计算获得的晶界自由能同晶界取向关系曲线【3 2 】 f i g 1 3 c a l c u l a t e dd i s t r i b u t i o no fg r a i nb o u n d a r yf r e ee n e r g yo v e rg r a i nm i s o r i e n t a t i o n s 3 2 l m i s o r i e n t a t i o n0 d e g ) 图1 4 纯铁中自由能极小值同取向关系的变化3 3 】 f i g 1 4 v a r i a t i o no ft h em i n i m u mg be n e r g yw i t hm i s o r i e n t a t i o ni np u r ei r o n 3 3 1 警k，rx盘喜m m 南京理工大学博士学位论文定向再结晶