晶界特性及其强化作用.ppt

晶界特性及其强化作用,材料强度学课程内容之一,2008年5月11日,1晶界的特性1.1定义：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。(是单晶体区别与多晶体的主要特征)1.2性能特征：晶界原子排列混乱、缺陷和杂质原子多、能量高；晶界上原子扩散速度较快；晶界对位错运动有阻碍作用；晶界易产生氧化、局部熔化和腐蚀等；晶界的原子混乱排列和高能量有利于固态相变的形核。,1.3分类：大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。,2有晶界条件下的变形特点,2.1晶粒之间变形的传播位错在晶界塞积;应力集中;相邻晶粒位错源开动;相邻晶粒变形;宏观塑性变形。,2.2晶粒之间变形的协调性原因：各晶粒之间变形具有非同时性。要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）,2.3晶界对变形的阻碍作用晶界的特点：原子排列不规则、分布有大量缺陷；晶界对变形的影响：滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过；晶粒大小与性能的关系件：晶粒越细，强度越高(细晶强化：Hall-Petch公式可知)s=0+kd-1/2原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。而且晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。,此外，晶粒越细，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。故细化晶粒是同时提高材料强度、塑性和韧性的有效手段（高温性能除外），受到广泛重视。,3HallPetch公式的位错模型s=0+kd-1/2Hall和Petch首先建立了低碳钢下屈服点与晶粒尺寸的经验关系，并得到了Morrison,Gladman和Pickering等人的证实。但其中各参数的意义是什么，从何而来，却值得深入的研究。3.1位错塞积模型基本思路：晶界位错塞积应力集中达到某临界值相邻晶粒屈服相邻晶粒位错源开动滑移从一个晶粒传播到另一个晶粒。,3.2晶界位错模型基本思路：晶界上存在台阶或坎故晶界本身也可以作为位错源位错移出晶界必须通过坎位错林所需的应力取决于坎的密度（随晶粒尺寸减小而增）。可解释纯金属中不存在位错塞积而符合Hall-Petch公式的情况。两种模型都能够推导出Hall-Petch公式，但公式中参数的意义不同。,快速凝固晶粒细化剂（Ti、Al）钢的正火高强度钢丝：PatentingProcess(奥氏体-290C铅浴淬火540C极细珠光体转变)Coldwire-drawingUTS可达4000MPa以上。再结晶退火纳米晶粒,4细晶强化的应用,铝合金晶粒细化：Ti（Ti3Al）,Ti-B（TiB2）镁合金晶粒细化：Zr，Y值得注意的是，晶界是一种非晶态的缺陷，晶体中在缺陷很多（纳米晶、非晶）