（材料学专业论文）690合金中晶界特征分布及其演化机理的研究.pdf

上海大学博士学位论文 摘要 6 9 0 合金作为压水反应堆的蒸汽发生器传热管材料，已经逐渐代替6 0 0 合 金，虽然取得了较好的效果，但随着核电工业的发展，进一步提高蒸汽发生器 可靠性是急待研究的问题。蒸汽发生器传热管道破坏泄漏的主要原因在不同时 期有不同的情况，从近几年统计的结果来看，现在与晶界有关的应力腐蚀和晶 间腐蚀仍然是蒸汽发生器传热管道破坏的主要原因。 包括6 9 0 合金在内的绝大部分工程材料都是多晶体，材料的性能与其显微 组织及晶界特性有着非常紧密的联系。如晶间腐蚀、断裂、合金及杂质元素的 偏聚、蠕变等问题，都会受到晶界结构特征的影响。1 9 8 4 年w a t a n a b e 提出了 晶界设计与控制这种概念，继而在上世纪9 0 年代形成了“晶界工程( g r a i n b o u n d a r ye n g i n e e r i n gg b e ) ”这一研究领域。通过合适的形变及退火工艺，可 以明显提高材料中的低c s l ( c s l 是“c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e ”的缩写， 即重位点阵。低c s l 是指2 9 ) 晶界比例，优化其分布，就可以改善材料与 晶界有关的多种性能。 本工作应用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射( e b s d ) 和取 向成像显微技术( o i m ) 研究了加工和热处理工艺对6 9 0 合金的晶界特征分布( 各 种晶界所占的比例) 的影响。仔细观察分析了形变后退火过程中6 9 0 合金的显 微组织结构的演化过程，阐明了形变退火工艺与晶界特征分布之间关系及其演 化的机理。通过晶间腐蚀试验考验了含有不同比例低c s l 晶界6 9 0 合金的耐 腐蚀能力，探讨了其中的机理。得出以下主要结论： 1 ) 在低层错能面心立方金属6 9 0 合金中，低c s l 晶界比例的提高是基于 退火孪晶( 3 ) 的形成，退火前的冷轧压下量在调整晶界特征分布中起关键作 用。冷轧5 再在1 1 0 0 c 退火5 m i n 可使6 9 0 合金的低c s l 晶界比例提高到 7 0 以上( 按p a l u m b o a u s t 标准统计) ，这时形成了数百微米尺寸的伍方三 3 坟膨羞关莠屠在彩团攒是其显微组织的重要特征( n 为正整数，在低c s l 范畴中只有n = 1 ，2 ，3 ) 。这种晶粒团簇的尺寸和内含3 “晶界的数量随冷轧压 上海大学博士学位论文 下量的增加而下降。初始经过固溶处理或固溶后再时效处理对6 9 0 合金经过冷 轧5 再在1 1 0 0 退火后的晶界特征分布影响不大。将冷轧和退火工艺重复使 用，和单次处理效果基本一致。 2 ) 再结晶形核密度和多重孪晶的发展是控制6 9 0 合金晶界特征分布的关 键因素。饼历一我席羞关莠磊慰功：毋篑是由再结晶时一个再结晶晶核 在长大过程中不断产生退火孪晶，发生多重孪晶形成孪晶链而形成的。形变量 小，形核密度低致使再结晶晶核有充分的空间发展，再结晶晶核与形变基体之 间的随机晶界有很长的迁移距离，在不断迁移的过程中就能不断产生退火孪晶， 发生多重孪晶，从而发展出很长的孪晶链，形成了大尺寸的晶粒团簇，同时也 提高了3 4 晶界的比例。因此，小形变量冷轧后再在高温短时间再结晶退火可 以明显提高低c s l 晶界比例。形变量越大，形核密度就越高，使得晶粒团簇 尺寸小，3 “晶界比例也就低。 3 ) 对于低c s l 晶界比例高的样品来说，用b r a n d o n 标准判定时得到的随 机晶界网络的连通性可以明显被一些低c s l 晶界片段打断，但这些低c s l 晶 界的相对偏差都很大。而用更为严格的p a l u m b o - a u s t 标准统计时随机晶界网络 的连通性几乎不会被打断。因此，低c s l 晶界比例提高以后随机晶界网络的 连通性可以被打断的说法并不可靠。 4 ) 低c s l 晶界比例高的样品比低c s l 晶界比例低的样品耐晶间腐蚀性 能明显好，其原因是前者晶粒团簇的尺寸明显比后者大，形状也不规则，并不 是由于随机晶界网络的连通性被打断的缘故。 关键词：6 9 0 合金，晶界特征分布，退火孪晶，再结晶，晶间腐蚀，e b s d 上海大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ei l i c k e l - b a s e da l l o y6 9 0 ，w i t hm a i nc o m p o s i t i o nn i 3 0 c 卜1o f e ( w t ) ，i s c u r r e n t l yr e p l a c i n ga l l o y6 0 0 f n i 一16 c r - 9 f e ) a sas t e a mg e n e r a t o rt u b em a t e r i a li n p r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r s ，b e c a u s eo fi t ss u p e r i o rr e s i s t a n c et oi n t e r g r a n u l a rs t r e s s c o r r o s i o nc r a c k i n gf i g s c c ) b u tw i t hp r o l o n g e ds e r v i c el i f e t i m ea n di m p r o v e d p e r f o r m a n c eb e i n gd e m a n d e db yt h en u c l e a re n e r g yi n d u s t r y , t h en e e dt oi m p r o v e t h er e s i s t a n c et oi g s c ca n di n t e r g r a n u l a rs t r e s sc o r r o s i o n ( i g a li na l l o y6 9 0s h o u l d a 1 s ob ec o n s i d e r e d g r a i nb o u n d a r ys t r u c t u r eh a sl o n gb e e nk n o w nt op l a yac r i t i c a lr o l ei nm a n y m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sp r e c i p i t a t i o n ，c o r r o s i o n ，a n dc r a c k i n g g r a i nb o u n d a r y e n g i n e e r i n g ( g b e ) ，w h i c hw a su n d e rt h el i g h to f “g r a i nb o u n d a r i e sd e s i g na n d c o n t r o l ”p r o p o s e db yw a t a n a b e d e v e l o p e dal o ta n dw a sf r u i t f u ld u r i n gt h e1 a s tt w o d e c a d e s t h eg r a i nb o u n d a r i e sr e l a t e dp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sc a nb ee n h a n c e db y e x e r c i s i n gc o n t r o lo v e rt h ep o p u l a t i o no fl o we c s l ( s 2 9 ) g r a i nb o u n d a r i e s ，嬲 d e f i n e db yt h ec o i n c i d e n ts i t e1 a t t i c e ( c s l ) m o d e l a1 a r g eb o d yo fw o r k sp r o v e dt h a t t h eg r a i nb o u n d a r yc h a r a c t e rd i s t r i b u t i o n ( g b c d lc a nb ea l t e r e dv i ap r o p e r t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t s s o m ef a c e c e n t e r e dc u b i c ( f e e ) m e t a lm a t e r i a l sw i t h l o wt om e d i u ms t a c k i n gf a u l te n e r g y , s u c ha sp b b a s ea l l o y , n i b a s ea l l o y , o f e c o p p e r , a n da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w e r es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt h i sc o n c e p tt o p r o m o t ez 3 n ( n = l ，2 ，3 ) b o u n d a r i e sf o r m a t i o n ，a n dt h e i rp r o p e r t i e sw e r eg r e a t l y e n h a n c e d t 1 1 i sm a yb ea na p p r o a c ht of u r t h e ri m p r o v et h er e s i s t a n c et oi n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o no f a l l o y6 9 0w h i c hi sa l s oaf c cm a t e r i a lw i t hl o ws t a c k i n gf a u l te n e r g y t h ee f f e c t so ft h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t so ng b c di na i l o y6 9 0w e r e s t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，e l e c t r o n b a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) a n do r i e n t a t i o ni m a g i n gm i c r o s c o p y ( o i m ) t h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fa l l o y6 9 0d u r i n ga n n e a l i n ga t1 10 0 。ca f t e rv a r i o u sc o l d r o l l i n gw e r eo b s e r v e da n dt h em i c r o s t r u c t u r e si nt h ep a r t i a l l yr e c r y s t a l l i z e ds t a t e w e r ea n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h e s eo b s e r v a t i o n sa n da n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo f t h eg b c dm a n i p u l a t i o nw a se l u c i d a t e d f i n a l l y , t h ei n t e r g r a u n l u rc o r r o s i o nt e s t i n gw a s c a r r i e do u to nt h es p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tg b c dt or e v e a lt h e i ri n t e r g r a u n l u r c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n dt h em e c h a n i s mi n v o l v e d i ti s p o s s i b l et or e a c ht h e f o l l o w i n gg e n e r a lc o n c l u s i o n st h a ta r eg i v e nb e l o w ： ( 1 ) i na l l o y6 9 0 ，s m a l ls t r a i n ( 5 ) a n ds u b s e q u e n th i g ht e m p e r a t u r e ( 1 10 0 。c ) a n n e a l i n gf o rs h o r tt i m e ( 5m i n ) c a np r o d u c eh i g hp r o p o r t i o no fl o w c s lg r a i n b o u n d a r i e s ( m o r et h a n7 0 ) ，w h i c hm a i n l ya r e 3 n 1 1 1t h i sc a s e ，t h el a r g es i z e t w i n i n d u c e dg r a i n s c l u s t e r s ( s e v e r a lh u n d r e dm i c r o n si nd i m e n s i o n ) c o n s t i t u t et h e m i c r o s t r u c t u r e t h ep r o p o r t i o no fl o w c s lg r a i nb o u n d a r i e sa n dt h es i z eo ft h e g r a i n s c l u s t e rd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n t h es t a r t i n gs t a t e i e s o l u t i o n a n n e a l e do ra g e da f t e rs o l u t i o na n n e a l e d ，d i d n ta f f e c tt h eg b c do b v i o u s l y m u l t i - c y c l et r e a t m e n td i d n ts h o wd i f f e r e n te f f e c t so nt h eg b c da p a r tf r o ms i n g l e m 上海大学博士学位论文 c y c l et r e a t m e n t ( 2 ) b a s e do nt h eo b s e r v a t i o no fp a r t i a la n df u l lr e c r y s t a u i z a t i o ns t a t e ，i ti sc l e a r t h a tt h en u c l e a t i o nd e n s i t ya n dm u l t i p l et w i n n i n ga r et h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h e g b c d t h eg r a i n s c l u s t e ri sf o r m e db yc o n t i n u o u sc h a i no ft w i n n i n ge v e n t ss t a r t i n g f r o mas i n g l en u c l e u so fr e c r y s t a l l i z a t i o n ，a n dw i t ht h e a s s o c i a t e dp r e s e n c eo f m u l t i p l ee 3 nb o u n d a r i e s a sac o n s e q u e n c e a 1 1t h eg r a i n si n s i d et h es a m ec l u s t e r h a v ec l o s ee 3 nm i s o r i e n t a t i o n se v e na tal o n gd i s t a n c e t h a tt h em e a ns i z eo ft h e g r a i n s c l u s t e r sa n dp r o p o r t i o no fl o w c s lb o u n d a r i e sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n g s t r a i n ，i sc a u s e db yt h ei n c r e a s i n gn u c l e a t i o nd e n s i t yo fr e c r y s t a u i z a t i o nw i t ht h e i n c r e a s eo fs t r a i n ( 3 ) i nt h ec a s eo fh i g hp r o p o r t i o no fl o w c s lb o u n d a r i e s ，c o n n e c t i v i t yo f r a n d o mb o u n d a r i e sn e t w o r ki sv e r ys e n s i t i v et ot h ea p p l i e dc r i t e r i o no fc s l t h e c o n n e c t i v i t yo fr a n d o mb o u n d a r yn e t w o r ki sn o tf r a g m e n t e do b v i o u s l yw h e nt h e p a l u m b o a u s tc r i t e r i o ni su s e d ，w h e r e a ss u b s t a n t i a l l yi n t e r r u p t e dw h e nt h eb r a n d o n c r i t e r i o ni sa p p l i e d a l m o s ta 1 1t h o s el o w c s lb o u n d a r i e s ( b r a n d o nc d t e r i o n ) a p p e a ro nt h en e t w o r ko ft h er a n d o mb o u n d a r i e sh a v ev e r yl a r g ed e v i a t i o n s h e n c e ， t h em a r k e dd i s c o n t i n u i t yo fr a n d o mb o u n d a r i e sa c c o r d i n gt ob r a n d o nc r i t e r i o ni sn o t r e l i a b l e ( 4 ) 讹即t h ep r o p o r t i o no fl o w c s lb o u n d a r i e si se n h a n c e d ，t h eh i 曲 r e s i s t a n c et om a s sl o s sd u r i n gi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nt e s t i n gi sa t t r i b u t e dt ot h el a r g e s i z eo ft h eg r a i n s - c l u s t e ra n di t sz i g z a gs h a p e ，r a t h e rt h a nt h eu n r e l i a b l ed i s c o n t i n u i t yo f t h er a n d o mb o u n d a r yn e 咐o r k k e yw o r d s ：a l l o y6 9 0 ，g r a i nb o u n d a r yc h a r a c t e rd i s t r i b u t i o n ， a n n e a l i n gt w i n n i n g ，r e c r y s t a u i z a t i o n ，i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n ， e b s d 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：夏龚 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：”导师签名日期：2 1 仝 垒塑竺。 上海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景 1 1 1 我国核电的发展状况 核能发电是一种新型能源。从2 0 世纪5 0 年代第一座核电站建成以来，核 电越来越受到人们重视。许多国家先后建造了核电站，特别是上世纪7 0 年代世 界发生能源危机后，核电发展更快。据统计，截止2 0 0 2 年底世界上已有3 0 多 个国家和地区建成约4 4 1 座核电站，发电容量约为3 6 亿千瓦。正在建造中的 约有4 0 座，计划建造的约6 0 座，全部建成后装机容量将近5 亿千瓦，约占那 时世界发电量的2 0 左右 1 ，2 。 发展核电是我国能源规划的组成部分，无论对近期和将来补充或替代常规 能源都是十分重要的措施。我国自2 0 世纪七十年代中期开始设计建造核电站以 来，已经取得了很大的进展。它们是：我国自行设计建造的第一座核电站 秦山3 0 万千瓦核电站，自1 9 9 1 年1 2 月1 5 日并网发电以来，已安全运行十多 年，累计发电2 0 0 多亿度。从法国引进电功率为2 9 0 万千瓦的广东大亚湾核 电站，于1 9 9 3 年投入运行，两座机组年发电量可达1 0 0 亿度。向巴基斯坦出口 的恰希玛核电站，电功率为3 0 万千瓦，2 0 0 0 年并网发电，现正在稳定运行。 广东岭澳地区建造的两座9 0 万千瓦级核电站己于2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年分别投入运行。 秦山二期二座6 0 万千瓦自行设计建造的商用核电站已于2 0 0 2 2 0 0 3 年分别投 入运行。从加拿大引进的二座电功率为7 0 万千瓦的重水堆核电机组也已于2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年分别投入运行。2 0 0 5 年投入运行的江苏田湾两座电功率1 0 0 万千瓦的 核电站。因此到2 0 0 5 年我国核电运行容量达到8 5 0 万千瓦。根据国家和地方省 级核电规划，在2 0 1 0 - - 2 0 2 0 年山东省海阳、广东省岭澳、浙江省三门以及福建、 江西和安徽等省均计划建造百万千瓦级核电站。国家计划到2 0 2 0 年核电装机容 量将达4 0 0 0 万千瓦 1 ，2 ，3 。 j 。每人学博上学位论立 112 核电站蒸汽发生器使用材料及面临的问题 图1 1 给出了压水堆核电站的基本原理和主要组成部分结构的示意图 4 。 该动力装置主要由反应堆、一回路系统、二回路系统、发电机及其他辅助系统 和设备组成。反应堆内自持核裂变反应放出的能量，以热能形式被一回路循环 水带出。一回路水进入蒸汽发生器内数以千计的传热管，通过它们把一回路水 带出的热量与二回路水进行热交换，使二回路中的水成为过热蒸汽送入气轮机 中，随之通过膨胀做功驱动汽轮机叶轮高速旋转而带动发电机发电 3 4 。 二自自徽 誓 e 蝠重暮剐爨， 一l 音妊薯 自镕x ”女? in * 0 - i 一， 二 j 幽ll 压水堆核电站主要组成部分结构示意图，其中由虚线方框画出的部分就是蒸汽发生 器中的传热管道 4 。 蒸汽发生器中的传热管以倒0 形方式密集排列，束集封焊在蒸汽发生器的 下管板上，如图1i 中虚线方框内所示。管子数量多达几干根，以各在寿期内 发生泄漏的管子被人为堵塞住以后，仍具有足够的热交换面积。传热管泄漏后 需要停堆检查维修，严重时甚至需要更换蒸汽发生器，这是影响反应堆工f 常运 行的重要原因 3 ，4 ：。 罴 上海大学博士学位论文 经世界范围多年运行统计，蒸汽发生器传热管因破损堵管的原因比例与年 份的关系如图1 2 所示 5 。传热管道破坏泄漏的原因有很多，包括：损耗 ( w a s t a g e ) 、凹陷破坏( d e n t i n g ) 、点蚀破坏( p i t t i n g ) 、单纯应力腐蚀 ( s c c ( i d ) ) 、并存应力腐蚀和晶间腐蚀( s c c i g a ( o d ) ) 、磨蚀( f r e t t i n g ) 及 其他。蒸汽发生器传热管道破坏泄漏的主要原因在不同时期有不同的情况，现 在与晶界有关的应力腐蚀和晶间腐蚀仍然是蒸汽发生器传热管道破坏的主要原 因。 图1 2 蒸汽发生器传热管因破坏泄漏，被堵住的原因比例与年份的关系。该图源自美国电 力研究机构。( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e 。1 9 9 8 ) 5 压水反应堆的蒸汽发生器传热管产生腐蚀破裂问题一直受到关注，早期使 用3 0 4 或3 1 6 不锈钢时存在严重的应力腐蚀开裂问题，后改用6 0 0 合金或8 0 0 合金，虽然取得了较好的效果，但耐腐蚀性能仍不理想 1 。为进一步提高反应 堆运行的可靠性和安全性，上世纪8 0 年代末，法国首先采用了6 9 0 合金替代 6 0 0 合金作为新一代蒸汽发生器的传热管，美国和日本也相继采用 6 ，7 。我国 大亚湾核电站采用了法国提供的6 9 0 合金管。但随着核电工业的发展，进步 提高蒸汽发生器可靠性是急待研究的问题。所以如何提高材料抗晶间腐蚀和晶 间应力腐蚀，依然是需要解决的问题 5 ，8 。 装v摹羞盆围晤增驾辎扭霰啦稚刊蝼糠 上海大学博士学位论文 低c s l ( c s l 是“c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e 的缩写，即重位点阵 9 ) 晶界与随机晶界相比，有更好的抗晶界偏聚性能 1 0 - 1 3 ，更好的耐腐蚀性能 1 4 2 1 ，抗蠕变性能 2 2 2 6 ，以及抗开裂性能 2 7 - 3 6 等。值代表重位点阵 的重合度 9 ，3 7 ，低指2 9 3 8 。如果能够提高材料中这种晶界的比例， 那么材料与晶界相关的性能势必会得到提高 1 0 - 3 6 。 1 9 8 4 年w a t a n a b e 提出了晶界设计与控制这种概念 3 9 ，继而在上世纪9 0 年代形成了“晶界工程( g r a i nb o u n d a r ye n g i n e e r i n gg b e ) ”这一研究领域 4 0 。 通过合适的形变及退火工艺，可以明显提高面心立方低层错能材料的低c s l 晶界比例，优化其分布，就可以改善材料与晶界有关的多种性能 1 0 - 3 6 。6 9 0 合金也是一种面心立方低层错能材料 7 ，本研究工作的目的是探索提高6 9 0 合 金的低c s l 晶界比例的工艺方法和机理，并用这种方法来进一步提高6 9 0 合 金的耐晶间腐蚀性能。 1 2晶界的基本概念 1 2 1 晶界的分类 晶界一般是按照构成该晶界的两个晶粒之间取向差来分类。在立方晶系材 料中，由于其对称性的关系，两晶粒的相对取向可以有2 4 种表达方法。在不考 虑特殊对称性时，通常将这种取向差表达为： e 这样的轴角对。即绕 晶体轴旋转。角来表示两个晶粒的取向差，通常采用旋转角度最小的 e 来表示 - 4 1 - 4 3 。 按照两个晶粒取向差的大小，可将晶界分为小角晶界与大角晶界。通常取 向差小于1 5 0 ( 有时采用1 0 0 ) 就定义为小角晶界。小角晶界可由一列位错构成。 最简单的小角晶界就是对称倾斜小角晶界。它由一列平行的刃型位错构成( 柏 氏矢量垂直于晶界面) 。这种晶界最早是在晶体表面观察到一列蚀坑后而发现 的。现在可以用透射电子显微镜的高分辨晶格条纹像直接观察。取向差大于1 5 的晶界一般认为是大角晶界。但是，当取向差在某些特定的情况时，晶界两侧 晶粒的点阵相互延伸，其中某些点阵位置会呈现有规则的重合，这样两个晶粒 构成的大角晶界这就是重位点阵晶界( 在1 2 3 中将详细阐述) 。 4 上海大学博士学位论文 晶界还可以按照两个晶粒取向之间的旋转方式来分类，可分为倾斜晶界和 扭转晶界。倾斜晶界又可分为对称倾斜晶界和非对称倾斜晶界。倾斜晶界的特 点是旋转轴平行于晶界面。如果相邻晶体的取向是互相对称的，即晶界面就是 对称面，那么这一晶界就是对称倾斜晶界；除此之外的倾斜晶界都是非对称倾 斜晶界。扭转晶界的特点是旋转轴垂直于晶界面。 1 2 2 晶界的自由度 大多数使用的金属材料都是多晶体，晶粒与晶粒之间的接触处就是晶界， 所以晶界的定义是不同取向晶粒之间的界面。在样品中完全定义一个晶界需要 用8 个自由度。其中包括3 个宏观自由度，和5 个微观自由度。宏观自由度是 指该晶界在样品坐标中的位置。可以由任何一个晶界面法向在样品坐标中的位 置来确定( 3 个自由度) 。5 个微观自由度分别确定相邻两晶粒( 晶粒a 和b ) 的取向差( 3 个自由度) 和晶界面( 2 个自由度) 4 1 ，4 2 。 如1 2 1 中所叙述的那样，两晶粒之间的取向差可以用轴角对来表示， l0 。这需要3 个自由度，分别是晶粒a 和b 中同指数晶向的位置( 2 个自由度) ，这两个同指数晶向之间的旋转角度( 1 个自由度) ，晶界面在晶粒a 中的指数与在晶粒b 中的指数( 2 个自由度) 。前3 个自由度可确定两个晶粒之 间的位置关系，后2 个自由度确定晶界面。前3 个自由度容易获得，比如在透 射电镜中通过选区电子衍射来标定，用微区x 射线衍射来标定，或者用e b s d 来 测定等都可获得。但晶界面的晶体学参数很难用这些方法确定，这是由于除了 特殊的晶界( 比如共格孪晶界) 以外，晶界往往是弯曲的，不能用一个固定的 晶体学面来描述。 1 2 3 重位点阵晶界 重位点阵( c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e ，c s l ) 模型是由k r o n b e r g 和w i l s o n 在1 9 4 9 年提出的 9 。 若将两个无限延伸，具有相同点阵结构晶体中的一个，相对于另一个晶体 绕某一低指数的晶轴旋转某特殊角度时，这两个晶体点阵中的某些阵点位置会 5 上海大学博士学位论文 有规则的重合起来。这些重合位置的阵点在空间将构成三维空间的超点阵，称 为重位点阵 9 ，3 7 。比如在点阵常数为a 的立方点阵中，圆圈代表一个晶体的 点阵，三角代表另一个晶体的点阵。这两个晶体绕 方向旋转3 6 8 7 0 后( 它 与旋转5 3 1 3 0 相同，因为立方晶体的 方向是9 0 0 晶体对称的) ，每五个阵 点中就会有一个重合，即圆圈和三角重合的位置，如图1 3 所示。 一5 口 叮q o 9 。 o99o可 o 审o9 。弋孔 9o9o o 可 o 9o口 opo9 o 一 寸o9o o9o 口o口i o9o 可 o 寸? 9o口o o9o 9o o9 ? 。 o 户 图1 3 - - - - 5 的c s l 示意图 4 1 由于每个晶体的点阵都是有规则的重复( p e r i o d i c ) 那么重合的点阵也是 有规则的重复( p e r i o d i c ) 。这就在空间构成了点阵常数为口5 的重位点阵 ( c s l ) 。c s l 的重合位置密度可由下式定义： v ：竺璺兰曼鱼堡墼 厶 晶体点阵晶包体积 寺就是重合位置密度，它表示c s l 阵点数占晶体点阵的阵点数的分数。 二一 比如图1 3 中给出两个晶粒的取向差是以 3 6 8 7 0 旋转，这样构成的重位 6 上海大学博士学位论文 ，广- 、 点阵晶界就是：堕竺笠：5 ， 也就是说每5 个阵点中就有一个重合。图点阵晶界就是：= j f l = 5 ，也就是说每个阵点中就有一个重合。图 中只给出了二维的情况。真实的重位点阵是三维的点阵。 对于两个立方点阵的晶体，当绕晶轴 u v w 旋转0 角时，和0 可按下式 计算： = 石2 + ( “2 + v 2 + w 2 ) y 2 嘲嗽 妻仄而 式中x 和y 是两个没有因子的整数，求得的如为偶数则要连续除以2 ， 直到得到奇数为止。例如两个面心立方晶体以 旋转3 8 9 0 后，构成的重 位点阵值可按以下方法计算，此时“2 + 1 ，2 + w 2 = 1 2 + 1 2 + 0 ：2 ， 即 y = x 2 + 2 y 2 j 二- 一 而：伊= 2 a r c 留 考石孓瓦芦 = 2 a r c 留( 压 将秒= 3 8 9 0 代入 则 上：三 所以：= 4 2 + 2 x l = 1 8 ，再将1 8 除以2 ，得到9 所以- - - - 9 。 表1 1 中给出了构成 2 9 的c s l 晶界 4 0 。有不少实验工作证明， 低c s l 晶界具有优于随机晶界的特性，比如有更低的晶界自由能，更好的抗 晶界偏聚，更好的耐腐蚀性能，更好的抗晶界滑移性能等。w a t a n a b e 提出“晶 界控制与设计”( g r a i nb o u n d a r yd e s i g n ) 的概念 3 9 ，在材料中提高低c s l 晶界的比例，控制材料的晶界特征分布，通过这种办法来提高材料与晶界有关 的整体性能。随后发展出“晶界工程 ( g r a i nb o u n d a r ye n g i n e e r i n g ) 这一概 念 4 0 。 目前晶界工程研究主要集中于低层错能的面心立方金属材料，基于退火孪 晶的形成来提高这类材料低c s l 晶界的比例 4 0 ，5 8 ，5 9 。所以在晶界特征分 布中有相当高比例的退火孪晶( 3 晶界) 。所以又称基于退火孪晶的晶界工 程 5 9 。该领域研究的内容主要包括：研究控制并提高低c s l 晶界比例的加 工工艺方法及机理；研究与晶界相关的一些性能与低c s l 晶界比例及其空间 分布的关系。 1 3 1 本研究领域的研究团队及所关注的问题 这一领域中主要有以下一些研究团队开展了相关的研究工作： ( 1 ) v r a n d l e ( u n i v e r s i t yo fw a l e ss w a n s e a ，u k ) 的研究团队。主要研 究晶界的晶体几何学问题 4 0 ，4 4 ，4 6 - 4 8 ，5 4 ，5 5 ，6 0 - 6 2 ，控制低层错能面心立方 金属材料晶界特征分布的机理问题 6 3 - 7 1 。 ( 2 ) g p a l u m b o ( o n t a r i oh y d r ot e c h n o l o g i e s ，t o r o n t o ，c a n a d a ) 的 研究团队。主要研究提高低层错能面心立方金属材料的低c s l 晶界比例的工 艺问题 7 2 7 4 ，晶界特征分布与材料性能之间关系的问题 9 上海大学博士学位论文 1 0 ，1 3 1 9 ，2 2 ，2 7 ，2 8 ，5 6 ，5 7 ，7 4 7 6 。 ( 3 ) m k u m a r ( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，c a ，u s a ) 和c a s c h u h ( mit ，m a ，u s a ) 的研究团队。主要 研究控制低层错能面心立方金属材料晶界特征分布的机理问题 7 7 7 9 ，晶界网 络的拓扑学问题 8 0 - 8 9 。 ( 4 ) g s w a