低应变和中等应变晶界工程研究.doc

低应变和中等应变晶界工程的研究摘要晶界工程（GBE）处理过程，包括低应变（5变形）迭代处理，已对铜进行了实施。已经通过施加正拉力和硬度测量得到取向差和晶界平面统计数字。在首个两次迭代处理中3所占的长度分数和9/3的值的比例下降，而最大的晶界工程取向差统计数字是通过三次迭代处理后实现的。分析力学性能数据显示，整个前三次迭代处理的应变积累的能量，足以提供足够的动力来迫使3界面扩展。3界面的分布密度比晶界密度在硬化率上有较大影响。这一发现表明在晶界工程处理早期阶段发挥重要作用的3界面起阻碍塑性流动的作用。从样本数据看，低应变迭代处理和中等应变（25变形）迭代处理也是可以比较的。关键词：铜；电子背散射衍射（EBSD）；晶界孪晶1、引言为了增加“特殊”的界面，对晶界工程（GBE）进行特定的热机械处理，那些靠的很近的几何界面的特殊界面导致改善性能1。晶界工程大多是基于利用具有低层错能金属合金的退火孪晶的多样性，以便得到高比例的3巧合晶界。晶界工程中的典型材料的热机械加工涉及运用多次退火冷变形。近几年已发展了晶界工程处理中两种类型。这些通常被称为“应变退火”，它使用的变形程度低，一般5-10，而“再结晶应变”，它采用中等程度的变形，通常20-301，2 。使用最广泛的晶界工程处理是涉及到商业性的开发。一个典型的处理过程是20-30的4-7次的变形，它通过的退火是在刚高于再结晶退火温度以上的某一温度下的几分钟的退火（如3）。透射电子显微镜（TEM）研究表明，“再结晶应变”，是一个不准确的过程描述，因为不足应变主要在允许短时退火再结晶成核的晶界4。另一方面应变退火晶界工程比应变再结晶晶界工程涉及的应变应用要低，在足够高的温度下退火可使应变强化晶界迁移。再结晶被这些联合温度/应变水平排除。有三个变种的应变晶界工程退火处理：长期退火5，多周期短时退火6和单周期短时退火7。虽然应变再结晶和应变退火晶界工程加工路线已有相当频繁的调查，但是两条路线之间没有直接的比较来评价其相对优点。它们都可增加3晶界的比例，并将这些晶界归入晶界系列，它是晶界工程微结构8。有报道说，通过应变退火路线控制晶粒尺寸是比较困难的，有时晶粒生长的结果是普遍不愿得到的1。目前的工作是控制研究，评估和比较的应变再结晶（25应变）与应变退火（5应变）晶界工程处理对微观结构的影响，如铜中的晶界参数和力学性能（拉伸数据和硬度）。应力应变行为的分析给出了一个平衡变形和涉及反复处理退火的一个指示。在这方面，由于应变再结晶可能是个不准确的术语，我们将参照，而不是中等应变（变形25）和低应变（5变形）晶界工程的处理。从中等应变系列所得数据此前已报道8。2、材料与方法从古德费洛金属中获得纯度为99.99的试样铜。作为性能良好（AR）的材料是“半硬”，即晶粒略有拉长，而不是等轴。为实现全面软化的目的，AR材料需在750 C时退火45分钟。拉伸试样从“单步”试样中得到，进行了5个连续迭代处理，在750 C空中退火180 S 后进行由5的拉伸变形组成的每个迭代处理过程，它是0.75Tm。对于每个迭代用两个系列拉伸试样：一个用来测试失效，另一个用来微观分析。单步试样也可用来测试失效。金相样品以正常的方式制备。他们随后用50:50的氨和过氧化氢蚀刻3-5秒。定位数据的收集使用的是电子背散射衍射（EBSD）系统接入飞利浦XL30扫描电镜，在20千伏运作。定位图可在每次迭代后的多步试样中得到，且从AR和单步试样，用1微米大小为步长。为了获得取向差统计，平均从每个试样表面随机采样15000粒。分析方向图利用途经5探戈软体。布兰登标准9是用来区分3n晶界，既作为长度的一小部分，又作为数量的一小部分，有n 不大于3，即3，9和27。由EBSD技术获得了取向差的测量精度为0.5 。这五个参数的分布，即包括取向差和晶界，在第三迭代试样上进行。从这个特定试样得到的定位数据采集分析为36000粒。晶界重建和显示是使用EBSD软件一个在TSL（TexSEM实验室有限公司）的套件的算法。界面密度分布使用当时在材料科学与工程系设计的卡耐基梅隆大学软件代码得到。该方法已在其它地方详细介绍10，11。其中有10 的分布，被计算为“随机分布的倍数”（MRD），并在立体投影显示的密度轮廓。3、结果图1是一个试样经过三次处理后的微观组织。这个由多产3一代控制的组织，是所有的反复处理的典型试样。平均晶粒尺寸由良好试样的7微米增加至第二次处理7后的12.4微米，在剩余处理中它的近似值是稳定的。每个试样的晶粒尺寸和晶粒尺寸分布如图2所示。正如预期那样，晶界工程处理后，微观结构中3晶界占很高比例。在每次迭代处理后3比例如图2，既是晶界总长度的一小部分（图2a），又是晶界数量的一小部分（图2b）。对图2还包括9和27晶界。这些晶界（尤其是9）大部分是3晶界相互作用的结果。这已经在其他地方8，12记录了。虽然单步处理后3的比例大幅度提高，但随后的处理表明，3部分在减少，但除了导致长度673的最高值的第三次迭代处理。同样，单步处理后，9比例增加，但由于迭代处理而表现出的为不稳定和高峰值，也第三次迭代后。9/3长度比在0.05和1.0之间，而9/3数量比几乎是一致的，在0.14和0.35之间，在第三次迭代达到高峰。为了获得晶粒尺寸和统计数字，采集每个试样的几个定位图。值在试样内部很少有变化。如表1所示，是所有试样的典型。用每个样品的拉伸数据绘制的真应力应变曲线如图3a所示。同一试样进行五次拉伸试验，图3a是每个系列的典型代表曲线示。每一系列的试样的拉伸数据变化不大，例如第一个迭代处理后的拉伸强度从194 Nmm2变化到203 Nmm2。单步处理后拉伸强度和应变失效都增加，与单步处理相比，第一次处理后进一步增加。此后，除第三迭代迭代处理外所有其他迭代处理后，应变到失效减少，拉伸强度基本保持不变。图3表示从应变到失效过程和3s长度之间存在的关系。每个加工阶段的应变硬化指数已从真应力应变曲线中计算出来，这是图所示直线的斜率，如图3c。单步处理的应变硬化指数为0.61，而迭代处理后的应变硬化指数范围在0.32-0.43之间，但迭代处理除了第三次迭代（0.60）和第五次迭代（0.58）。图4显示了每个样本的平均硬度。很显然，750 C下45分钟的单步处理，试样能够充分软化，因为硬度减少一半。此后，在首次两个迭代处理中硬度稍有恢复，在第三次迭代处理和最终迭处理代有所减少，在最后两个迭代处理中稍微增加。4、讨论该取向差数据显示，相对于单步试样，迭代处理在第三次迭代后只会产生额外的晶界工程，其他迭代相对于单步处理实际上是在降低3n。据认为，这种影响可以在应变保留和工作应变硬化率方面理解如下。微观结构在最初的两个迭代应变积累，晶界面很少有迁移。证据是，硬度增加，而3部分和晶粒尺寸降低。直到第三次迭代中才有足够应力使晶格应变积累来激活引起的界面迁移，需要增加晶界中的3和9，通过这些晶界的互相作用来促进。平均晶粒尺寸稍有增加是晶界迁移（图2）和工作硬化率略有上升的结果。随着位错迁移到界面处（图4）消失，硬度下降。所以累积的应变能量在第三次迭代被消耗。第四次和第五次迭代是第一次和第二次迭代不可或缺的继续，因此，晶界工程取向差数据下降。因此，3次迭代处理为一个周期性的迭代处理。这就是迭代次数需要建立足够的应力，以提供一个界面迁移和3n相互作用的动力，如上所述。因此，我们可以推测一个六次迭代高峰将再次导致一个晶界工程的高峰。然而这样一个高峰可能会比在第三次迭代的高峰小，因为第四次和第五次迭代的晶界工程的取向差数据比第一次和第二次迭代的小的多，因此这将是一个对实际没有用的工作。3晶界的一个子集退火孪晶作为晶界工程的迭代处理的必要组成部分，在保留应力上起关键作用。它以前被描述为关于晶界工程的处理8。最重要的一点是，在晶界工程迭代处理保留应变的早期阶段的界面是必要的，目前这一结果已被确认。晶界，尤其是更多的孪晶界面，是位错堆积的有利地方。例如：铝双晶存在3取向差，应变的20是由于沿界面不均匀变形造成的，和随后退火应变诱导迁移13的结果。在这种特定的情况下，螺位错容易通过界面迁移，而刃型位错易在界面处堆积。在镍基合金中，3s和一些其他CSL界面，随机分布的高角度晶界，更有可能钉扎住外部的晶界位错，导致基体硬化。增加一个含有较高比例的CSL应变硬化试样后观察高温变形14。纳米铜含有高密度孪晶使拉伸强度比粗晶粒铜高一个数量级，是由于众多的孪晶晶界的位错运动受阻的原因15。分析孪晶和晶界16中界面面积和硬度的关系，与晶界相比，孪晶的较大预期结果曾在以前近50年来的黄铜上中展现。在孪晶和晶界和硬度上发现一个线性关系，孪晶/硬度的倾斜度比晶界/硬度的斜度较陡。我们已经从Ref .16采取了一套方法来分析当前的数据。如图5a所示。图 5a是3晶界预计每单位长度的试样表面积，晶界（即非3）预计为每个加工阶段作为一个硬度的单位长度的试样表面积。这两者的总和也显示于图5a，即总界面预计每单位长度的试样表面积为一个硬度的作用。对于三个中的每一个，在晶界长度和硬度之间都有一个近似的线性关系。从分离出3晶界的一小部分，很显然，在一小部分3和硬度之间，及非3和硬度之间都近似呈线性关系。 小部分3有一个比晶界较陡的坡度，这标志着3晶界密度对硬化率比当时的晶界密度有较大的影响。这些数据表明了3晶界以塑性流动为主的，它与3s晶界工程早期阶段的应变积累中起着重要作用是一致的。图5b中显示了晶界部分早期硬度数据的比对，用过其他操作16得到，其中孪晶部分是由简单的线性拦截计数获得。显然，在图5b中的黄铜数据与图5a所示的目前铜的数据有相同的形式。 通过所谓除传统的晶粒尺寸外的“晶粒尺寸”的考虑。通常情况下，孪晶的晶粒尺寸是忽略不计的，它只算作是界面处的晶界。这是合理的，因为关于晶界滑移的应用，退火孪晶 17 是无效的。然而，界面作为位错堆积的情况，对结晶后的晶粒大小更有意义，即所有的晶界包括孪晶都被视为晶界，以至于孪晶对位错的障碍作用也包括在内。因此，结晶后的晶粒尺寸比晶粒尺寸较小，反映了3s在微观结构中的比例。图6a显示所有样品中结晶后的晶粒尺寸和硬度，拉伸强度和从产生应变到失效之间的关系。随着晶粒尺寸的减小，硬度和拉伸强度增加，相反晶粒大小减小的同时韧性（即韧性）减小的趋势是明显的，这进一步强调了孪晶在力学性能发展中的作用。对于比较图6b所示的所有样品的晶粒尺寸（而非结晶后的晶粒尺寸）和硬度，拉伸强度和从应变到失效的关系。除了受欢迎的样本（其中有最小的晶粒尺寸）外，在拉伸性能和晶粒尺寸之间几乎没有关系。另一方面拉伸性能和晶粒尺寸的关系，通常被认为符合Hall-Petch关系，即=f+ k D-1/2，其中是一个应力使滑移带的穿过晶界（这里的拉伸强度）的量度，f和k是常数，D-1/2是平均晶粒尺寸。图6c中显示了D-1/2和拉伸强度的关系，这表明它服从Hall-Petch关系，因为和D-1/2两者之间是有线性关系的。图6d显示拉伸强度为结晶后的平均晶粒大小的函数，而不是平均晶粒尺寸。图6d不服从Hall-Petch关系，它再次强调了孪晶和晶界的不同。详细探讨了这一点需要进一步的工作。这些数据表明，晶界工程的最大作用是经过三次迭代处理后的单步预处理实现。在这里，“晶界工程的作用”通过测量取向差来判断。两个最有意义的有关晶界工程取向差的测量已经完成，在一个步骤中是3长度比例和9/3数据比同时发生。对于这种说法的理由是，高长度比例的3s需要有应变，随后，在晶界中取代随机晶界，9/3数据比提供了3s是否只是“不确定的”退火孪晶，不构成晶界系统的迹象。高9/3数据比是必需的，因为它表明3s已得到补充，并经由晶界纳入到晶界系统，如3+39跟随3+93发生12。 3长度的分数和9/3数据比是“晶界工程取向差统计数据”的必要部分。在现有数据的基础上，在首个两次迭代处理后的单步处理有很重要的晶界工程效果，但随后最大晶界工程影响后，第在第三次迭代处理后成功，在3分数最高时的长度67，9/3数据比最高为0.35。第四次和第五次迭代处理展示在晶界工程取向差的统计数据中有一个更明显的下降。现在，我们忙于对比低应变和中等应变晶界工程。图7a显示了中等应变试样中3n的所占比例和晶粒尺寸，先前已有报道8。此处应该与图2b中的相对比，它显示了在低应变处理后的相同数据。AR和单步试样的数据分数在图2b和图7b是一样的。低应变试样在第三次迭代处理后得到3最高比例（46.7%），而中等应变在第一次迭代处理后得到最大值（42.7%）。除了在低应变试样中的第三次迭代处理，一般9和27的分数比例在中等应变试样中比低应变试样中的要高。这些较高的比例是高应变提供了更高的晶界迁移驱动力的结果，以至更多的3晶界相互作用产生更多的9和27晶界。图7b中显示低应变试样和中等应变试样的9/3数量比。很显然，除了第三迭代处理，9/3数量比在中等应变试样中较高。同样，中等应变晶界工程（平均晶粒尺寸最高15.8微米）在较高的晶界迁移驱动力下已产生了比低应变晶界工程（平均晶粒尺寸最高12.9微米）稍大的平均晶粒尺寸。晶界的“五个参数”，即除了晶界取向差之外的晶界界面，已经从中应变样品8中得到。迭代加工能展示最好的晶界工程，即低应变系列的第三个迭代和中应变系列的第二次迭代。比较在27和9附近取向差的晶界界面分布是有用的，也就是30 / 1 1 0 和40 / 1 1 0 部分的取向差。如图8所示。可以看出，晶界密度主要在1 1 0区或其接近区下降，这即是1 1 0的倾斜晶界。两应变水平之间的分布有显著差异。晶面最大密度，如MRD的测量，中等应变样本（在30 / 1 1 0区段MRD= 22，在40 / 1 1 0部分MRD= 14） 比低应变样品（MRD= 41在30 / 1 1 0区段，MRD= 26在40 / 1 1 0区段）低。此外在中应变样品中1 1 0晶面向多个方向延伸，且沿线分布均匀。另一方面，在低应变样品中区域和峰值沿1 1 0的分布和排列更加紧密。这些晶界结构，在9和27系统中，倾斜晶界是对称的。换句话说，和中应变样本相比，低应变试样中9和27晶界很可能是“特殊晶界”。有人建议，在中应变样品中晶界的迁移率较高，导致晶界为9和27晶界，且不如低指数界面平直，即要求减少“特殊晶界”。经常在报告调查中所有9s和27s晶界被假定为特殊晶界（如：18）。目前的结果强调指出，9s和27s的比例可能是特殊的，因为他们已经接近于不对称和对称的边缘。然而，事实并非如此，所有9s和27s都是特殊的，而这些晶界的几何形状是由工艺参数影响的。对其他晶界工程金属和合金进行了晶界分布的测试和分析，如镍，铜和奥氏体不锈钢 19，20。所有这些样本的分布也都显示，110倾斜晶界的偏向与110平直晶界的分布不同，这已在有关刊物中出版。谈到现在比较中应变和低应变试样的应变率硬化，图 9显示了这两个系列试样的应变硬化率。单步试样，这两个试样系列的前身，加工硬化指数是0.61。中应变系列的应变硬化指数通过每一个迭代处理逐步上升到最高值0.79。这种模式是相对于低应变试样其中加工硬化率较低，作为低适用类型，也有更多的不稳定。加工迭代对低应变系列周期的影响就中应变而言只是局部的，第一次处理迭代积累应变，第二次迭代得到整体效果最佳的晶界工程。在这方面，它类似于低应变系列，除了高应变允许更快地达到最大的晶界工程。从图9和图7b的比较中可以看出，两个试样系列的工作硬化率和9/3数量比之间有关系。此研究结果使晶界工程低应变和中应变迭代进行比较呈现的是晶界工程的整体效果。结果表明，晶界工程取向差取得数据在应变积累和加工过程中微观结构之间有一个平衡。低应变系列比中应变系列的微观参数更不稳定，这表明迭代加工采用低应变并不是开展晶界工程最有效的方式。尽管以前的调查已经表明，应变退火晶界工程可以产生晶粒长大1，低应变和短时退火是目前成功地抑制晶粒长大的组合，而中应变样品的晶粒略有增长。在这两中情况