北航物理冶金原理6晶界與相界

1、面缺陷：晶界與相界面Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases,《物理冶金學(xué)原理》研究對象:,,面缺陷：晶界與相界面Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases,,實際金屬材料中的晶界與相界,單相單晶材料：單相多晶材料：晶界多相材料：相界面、相結(jié)構(gòu)?晶界及相界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、

2、作用!,材料的物理化學(xué)性能與晶界與相界結(jié)構(gòu),物理性能：電阻、磁性、導(dǎo)熱性化學(xué)性能：耐蝕性、室溫及高溫力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、韌性、裂紋擴(kuò)展、氧化性能工藝性能：冷變形、熱變形、焊接、熱處理、機(jī)械加工、,晶界的描述: ?5個自由度,,小角度晶界,Low Angle Grain Boundaries,對稱傾側(cè)小角度晶界?由刃位錯墻組成Symmetric Tilt Small Angle Grain Boundaries,,,,Egb

3、=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)},q=b/D,,,,,,,D,,,,Egb=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)},對稱傾側(cè)小角晶界HREM照片 （高分辨透射電子顯微照片）,,,,,,扭轉(zhuǎn)小角度晶界：由兩列柏氏矢量互相垂直的螺位錯組成（螺位錯網(wǎng)）Twist Small Angle Grain Boun

4、daries,,大角度晶界,High Angle Grain Boundaries,重合位置點陣CSL Lattice,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,晶界的性質(zhì),,重合位置點陣與大角度晶界Coincidence Site Lattice and Large Angle Grain Boundaries,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,大角度晶界HREM像（CSL）,,晶界與晶粒取向差

5、的關(guān)系,,純鋁晶界與晶粒取向差的關(guān)系,計算值 實驗值,晶界強(qiáng)化,Grain Boundary StrengtheningHall-Petch公式： ts= to + kd-1/2 ss= so + kd-1/2,晶界前位錯塞積群數(shù)目 n ∝{ (t-to)×d｝/（b×G）領(lǐng)先位錯處的應(yīng)力場 t(r) ∝ n× (t-to) = ｛(t-to) 2

6、15;d｝/（b×G）在相鄰晶粒位錯源S2處的分切應(yīng)力t(r)=f(r)×t(r) = {f(r)×(t-to)2×d}/(b×G)當(dāng)t(r)≥ t*時， （t*為位錯源S2開動的臨界應(yīng)力），S2開動，相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，即材料整體開始屈服，此時的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)＝ t* ?

7、ts = to + [t* f (r) bG] (-1/2) ×d(-1/2) Hall-Petch公式： ts= to + kd(-1/2),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,S1,n,S2,t,,r,晶界前位錯塞積群數(shù)目 n ∝{ (t-to)×d｝/（b×G）領(lǐng)先位錯處的應(yīng)力場 t(r) ∝ n× (t-to) = ｛(t-to) 2×d｝/（

8、b×G）在相鄰晶粒位錯源S2處的分切應(yīng)力 t(r)=f(r)×t(r) = {f(r)×(t-to)2×d}/(b×G)當(dāng)t(r)≥ t*時，(t*為位錯源S2開動的臨界應(yīng)力），S2開動，相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，即材料整體開始屈服，此時的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)＝ t*

9、?ts= to + [t* f (r) bG] (-1/2) ×d(-1/2)= to + kd(-1/2),,,晶界的性質(zhì)：晶界的高能量,位錯運(yùn)動的不可逾越的障礙：Hall-Petch關(guān)系、細(xì)化晶粒同時提高金屬材料常溫強(qiáng)度、塑性與韌性的唯一方法；原子擴(kuò)散的快速通道：固態(tài)相變形核之場所：溶質(zhì)原子平衡偏聚的場所：晶界偏聚對材料物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響。降低晶界能：晶界結(jié)合力提高：晶界結(jié)合力

10、降低或變脆：腐蝕、氧化、熔化等自晶界開始：高溫變形之薄弱環(huán)節(jié)：晶界滑動、晶界遷移晶粒易長大,,,晶界的運(yùn)動（遷移）,Migration of Grain Boundaries,晶界遷移的驅(qū)動力,相鄰晶粒內(nèi)能差 ?晶界自由能差：小晶?？s小消失、大晶粒長大 ?應(yīng)變能差：高應(yīng)變晶粒縮小消失、低應(yīng)變晶粒長大,,,,,,,,,,,,,,,,,,s,s,表面自由能：表面曲率引起的晶粒內(nèi)部附加壓力2s sin(dq/2) = DP

11、 R dq ? DP = s/R,由于表面自由能的驅(qū)動：小晶粒縮小、大晶粒長大,?正曲率晶粒縮小、負(fù)曲率晶粒長大?小晶粒縮小、大晶粒長大（馬太效應(yīng)）,,,,,,,,,影響晶界遷移運(yùn)動的因素,溫度: D=Do×exp(-Q/kT)晶界能: 小角度晶界、低能晶界晶粒內(nèi)晶體缺陷密度及均勻性：晶界元素偏析情況晶界第二相：晶界結(jié)構(gòu)（鋸齒狀晶界、彎曲晶界等）晶體性質(zhì)（晶體結(jié)構(gòu)、熔點、原子間結(jié)合力、層錯能等）,,相界面Int

12、erfaces between Phases,共格界面－Coherent Interface?形成條件：1）兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近2）某些晶面原子排列歸律相同、原子間距相近,b,a,共格界面－Coherent Interface ?特點：界面能很低！但應(yīng)變能較高！,a,b,,,,,孿晶界：一種理想的共格界面 ?無應(yīng)變能、界面能即層錯能,,沉淀強(qiáng)化：位錯切割粒子Precipitation Strengthenin

13、g: Particle-Cutting,強(qiáng)化效果取決于粒子的本性！,沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles,,由于其極低的界面能，利用共格粒子沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化高溫結(jié)構(gòu)材料的主要途徑之一：例如鎳基高溫合金 g’ (Ni3Al)/g-Ni,,非共格界面－Non-Coherent Interface

14、?特點：界面能很高！應(yīng)變能很低！,,彌散強(qiáng)化：位錯繞過粒子Dispersion Hardening： Particle-bypassing,?強(qiáng)化效果只取決于粒子的尺寸d（粒子間距）！與粒子本性無關(guān)！,t = Gb2/d,,,,,,位錯的線張力 T＝Gb2/2,t = Gb2/2R,Dispersion Strengthening,,,,,Particle Size (d),Yield Strength (t),,,沉淀析出第二相粒子

15、的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles,,半共格界面—Semi-coherent Interface?特點：介于共格與非共格之間界面之間！,,,,,,第二相界面結(jié)構(gòu)與相生長形態(tài),界面共格：界面能很低、應(yīng)變能很高 ?碟狀、片狀、針狀：比表面積最大、應(yīng)變能最低！界面非共格：界面能很高、應(yīng)變能很低 ?球狀：比

16、表面積最小，表面能最低！半共格界面：界與上述兩者之間,潤濕性（界面結(jié)構(gòu)）與第二相生長形態(tài),非共格？？？共格,提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法（高溫金屬材料強(qiáng)化方法）?高溫變形: 晶界遷移、晶界滑動?蠕變(Creep),,,提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法（高溫金屬材料強(qiáng)化方法）?降低原子擴(kuò)散速率?阻礙位錯運(yùn)動與交滑移?阻礙晶界滑移與遷移?阻礙晶粒長大,Service Conditions of Turbine Bla

17、des and Vanes in a Jet Engine,,Turbofan GP7000 for Airbus 380,,Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines,,提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法,基體材料：高熔點金屬; 高原子間結(jié)合力材料 (金屬間化合物等)：致密的晶體結(jié)構(gòu)（FCC、HCP、TCP）、低的層錯能合金元素：加入高熔點、難擴(kuò)散合金元素固

18、溶強(qiáng)化低界面能共格粒子沉淀強(qiáng)化（粒子長大區(qū)動力?。└叻€(wěn)定性粒子彌散強(qiáng)化：ODS晶界強(qiáng)化：阻止晶界滑動：晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶界、彎曲晶界等微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：降低晶界移動性、阻止晶界遷移減少晶界(粗晶粒); 消除橫向晶界：定向凝固柱狀晶合金消除全部晶界：單晶合金,由于其極低的界面能，利用共格粒子沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化高溫結(jié)構(gòu)材料的主要途徑之一：例如鎳基高溫合金 g’ (Ni3Al)/g-Ni,