物理冶金原理：6-晶界与相界
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金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)1. 引言1.1 概述金属组织结构是材料科学领域中的一个重要研究内容，它涉及到金属材料的微观结构和性能之间的关系。
金属材料广泛应用于制造业和其他领域，因此深入了解金属组织结构对于提高材料性能、改进加工工艺以及开发新型高性能金属具有重大意义。
1.2 文章结构本文将从晶粒、晶界、亚晶和晶体结构四个方面来介绍金属组织结构的基本轮廓。
首先，我们将探讨晶粒的定义、特征以及形成机制与生长过程；其次，我们将详细研究晶界的定义、分类以及对材料力学性能的影响；然后，我们将介绍亚晶的定义、形成机制、观测方法以及研究进展；最后，我们将深入探讨晶体结构，并分析不同类型的晶格结构对材料性质的影响。
1.3 目的本文旨在向读者介绍金属组织结构的基本概念和特征，并探讨其与材料性能之间的关系。
通过对晶粒、晶界、亚晶和晶体结构的详细讨论，读者将能够了解金属材料中微观组织的形成原理以及不同组织结构对材料性质（如强度、塑性、导电性等）的影响。
这将为材料科学工作者和工程师提供有力的指导，以优化金属材料的设计和应用。
2. 晶粒晶粒是金属材料中的基本组织单位，它由大量的原子或分子有序排列而成。
每个晶粒内的原子结构和取向相对稳定，在固态材料中晶粒大小和形状各不相同，具有一定的特征。
2.1 定义与特征晶粒是由同一种晶体结构组成的半球或多面体区域，在结构上呈现出高度有序、周期性和规则性。
它们在材料中是随机分布的，并且相邻晶粒之间以边界进行分割。
每个晶粒具有自己独特的取向和晶格结构，这使得不同的晶粒在外部场合下会表现出不同的性质。
2.2 形成机制与生长过程初始时，金属材料以液态或气态形式存在。
当冷却或凝固时，从液态转变为固态，并开始形成初生晶核。
这些初生晶核会通过吸收周围溶质进行长大并扩张，直到与其他固相结合形成完整的晶体。
这个过程叫做再结晶或冷却结晶。
2.3 晶粒大小与材料性能的关系晶粒的大小对金属材料的性能具有重要影响。
无机材料科学基础-晶界与相界
1/4/2015 11:07:43 AM
表面改性的实质—— 改变结构状态和官能团
最常见的方法:采用各种有机表面活性物质（表面活性剂）
表面活性物质： 定义：降低表面（或界面）张力的物质。 注：表面活性剂必须指明对象，通常是对水而言 结构：极性基团 －COOH, -OH, 非极性基团：碳环等 表面活性剂的作用：润湿、乳化、分散、增溶、发泡、 洗涤和减磨等 作用机理：表面活性剂同时具有亲水和憎水两种基团， 能在界面上选择性定向排列，促使两个不同极性和互相 不亲和的表面桥联和键合，并降低其表面张力。
(2)固-固-气界面
γSV
固
γSS ψ γSV
(3)固-固-液界面
γSL γSS γSL
固
(A)热腐蚀角(槽角)
(B)固－固－液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系： 1 SS cos 2 2 SV
对于固－固－液界面张力平衡关系：
1 SS cos 2 2 SL
凡结构相同而取向不同 的晶体相互接触，其 接触面称为晶界。如果相 邻晶粒不仅位向不同，而 且结构，组成也不相同， 即它们代表不同的两个相 ，则其接触界面称为相界 面。
1/4/2015 11:07:43 AM
在多晶体中，晶界上两个晶粒的 质点排列取向有一定的差异。由 于受到相邻晶粒势场的作用，两 者都力图使晶界上的质点排列符 合自己的取向。当达到平衡时， 晶界上的原子就形成某种过度的 排列。（如图） 晶界一般只有几个原子的厚度， 晶界区域的原子由于受到两个不同晶粒上原子的共同 作用，而处于非平衡位置，因而具有较高的能量。
润湿是固液界面上的重要行为。 润湿的热力学定义是，固体与液体接触后，体系（固
体+液体）的吉布斯自由能降低时，称为润湿。 根据润湿程度的不同可以将润湿分为： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
第五章 表面、相界和晶界
15
第二节 固体表面的特性
一. 表面力 在晶体内部，质点力场是对称的，在表面，质点排列 的周期重复性中断，使处于表面的质点力场对称性破坏， 表现出剩余的键力。这种剩余的键力是导致固体表面吸引 气体分子、液体分子和固体质点的原因。 固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用的力称为表 面力。表面力主要有两类，范德华力和化学力。
10
第一节 表面现象
在水中的气泡或玻璃液中的气泡都是凹液面的例子。
按凹液面考虑，在平衡时是液体中气泡内的压强大于周围液体的压 强。 若把高温陶瓷体中，孤立的气泡近似地看成是液态中的气泡，那么 由于表面张力的作用，相当于有一个2γ/R的正压力促使气泡自动缩 小，推动致密化的进程。
在实际情况中，经常遇到非球面的弯曲表面，这种表面的 内外压差是：△p=γ（1/r1+1/r2）。 r1，r2分别为非球面弯曲表面的两个主曲率半径。
14
第一节 表面现象
二板间的液膜，其形状： 液膜中不仅有凹液面，还有凸液面，凹液 面的曲率半径为 r1 ，凸液面的曲率半径为 r2 ， 对于有两个主曲率的液膜，压力差公式为：
1 1 p r r 2 1 若 r2》r1 ，△ p≈-γ/r1 ，负号说明液内压力 小，相当于两边给玻璃有正的 γ/r1 推力，从 而使两块玻璃拉紧。 至于两颗粒间的液相所起的作用，也有类 似情况。
0 U LS
N
1 n ib
一般理论计算结果与实际结果有差异，说明还有一定未 知因素没考虑。
26
第二节 固体表面的特性
3. 表面弛豫、结构重排与双电层 随着温度升高，为了减少表面自由焓，表面原子重新 定位。原子移到一个新的稳 定的平衡位置，它改变了最 顶层与第二层的间距，形成 折皱的周期起伏的表面，这 种移动称为弛豫作用。 一般，最外表面的移动 距离可以为体相层间距离的 百分之几到十几。随着离开 表面向晶体内部深度的增加 很快地变成正常的距离。 例：单晶硅的表面。
第二节 固体表面的特性
一. 表面力 在晶体内部，质点力场是对称的，在表面，质点排列 的周期重复性中断，使处于表面的质点力场对称性破坏， 表现出剩余的键力。这种剩余的键力是导致固体表面吸引 气体分子、液体分子和固体质点的原因。 固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用的力称为表 面力。表面力主要有两类，范德华力和化学力。
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第一节 表面现象
在水中的气泡或玻璃液中的气泡都是凹液面的例子。
按凹液面考虑，在平衡时是液体中气泡内的压强大于周围液体的压 强。 若把高温陶瓷体中，孤立的气泡近似地看成是液态中的气泡，那么 由于表面张力的作用，相当于有一个2γ/R的正压力促使气泡自动缩 小，推动致密化的进程。
在实际情况中，经常遇到非球面的弯曲表面，这种表面的 内外压差是：△p=γ（1/r1+1/r2）。 r1，r2分别为非球面弯曲表面的两个主曲率半径。
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第一节 表面现象
二板间的液膜，其形状： 液膜中不仅有凹液面，还有凸液面，凹液 面的曲率半径为 r1 ，凸液面的曲率半径为 r2 ， 对于有两个主曲率的液膜，压力差公式为：
1 1 p r r 2 1 若 r2》r1 ，△ p≈-γ/r1 ，负号说明液内压力 小，相当于两边给玻璃有正的 γ/r1 推力，从 而使两块玻璃拉紧。 至于两颗粒间的液相所起的作用，也有类 似情况。
0 U LS
N
1 n ib
一般理论计算结果与实际结果有差异，说明还有一定未 知因素没考虑。
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第二节 固体表面的特性
3. 表面弛豫、结构重排与双电层 随着温度升高，为了减少表面自由焓，表面原子重新 定位。原子移到一个新的稳 定的平衡位置，它改变了最 顶层与第二层的间距，形成 折皱的周期起伏的表面，这 种移动称为弛豫作用。 一般，最外表面的移动 距离可以为体相层间距离的 百分之几到十几。随着离开 表面向晶体内部深度的增加 很快地变成正常的距离。 例：单晶硅的表面。
晶界知识整理
晶体缺陷分类及特征： [1] 点缺陷（ point defect ）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小， 尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂 质和溶质原子。 [2] 线缺陷（ line defect ）：特征是在两个方向上尺寸很小 , 另外一个方 面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。 [3] 面缺陷（ planar defect ）：特征是在一个方面上尺寸很小 , 另外两个 方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
能全部吻合，而使部分形成共格 区，不吻合处形成韧位错，晶面
间距比较小的一个相发生应变，
在界面位错线附近发生局部晶格 畸变。
半共格界面示意
孪晶（twin）的定义：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成 对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面 。
孪晶分类：
①共格孪晶面（ coherent twin boundary ）：
一、 晶体生长 二、 过冷度 三、 晶向与界面 四、 晶界结构
生长界面结构决定了晶体生长机制。界面的稳定性关系到晶体生长的完整性。 晶体的生长形态取决于各个晶面的相对生长速率。 对于晶体生长而言：固液界面在宏观上是凸形、凹形还是平坦面，在界面上有 无小界面出现、流体中对流的大小、体系的热稳定性等。
空间位向不同的 相邻晶粒之间的 界面。 多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶 。 相邻晶粒的位向不同，交界面叫 晶粒界，简称晶界 。 晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界 。
晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于10o， 小角度晶界 ；10o以上， 大度角晶界 。
晶界处原子排列紊乱，能量增高≥晶界能。
确定晶界位置用：
材料晶界与界面ppt课件
7
四、晶界及界面对材料各种性能的影响规律 （6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等） 的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影 响规律
对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
8
五、几种典型材料中的晶界及界面及其与 性能的关系（4学时）
超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
1
刘庆 简历
1999年03- 现在，清华大学，材料科学与工程系，教授，博士生导师。 1993年8月- 1999年3月, 丹麦 Ris 国家实验室，材料研究部, 高级研究员。 1991年5月-1993年8月， 博士后，北京科技大学，1992年10 ，副教授。 1987年7月-1991年4月， 助教，讲师, 哈尔滨工业大学。 1984年－1991年，哈尔滨工业大学，金属材料，工学硕士，工学博士。 1984年，重庆大学 冶金及材料工程系，工学学士。
A、塑性变形：位错界面、亚晶界及晶界的形成 B、再结晶形核、长大过程中晶界的作用
43
10％压下量
30％压下量
50％压下量
深冲用IF钢轧制变 形组织的TEM图像
70％压下量
44
RD ND
Copper-I Copper-II
SS-II Brass-I Brass-II Random cube 0-10
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的 关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的关系
9
课程教材及主要参考书：
1、材料界面结构与特性 叶恒强、朱静等 科学出版社 2、金属的晶界与强度 宋余九编 西安交大出版社 3、 固体材料界面研究的物理基础 闻立时著 科学出版社 4、复合材料基体与界面 赵玉庭等著 华东化工学院出版社 5、材料的表面与界面 李恒德等编 清华大学出版社
四、晶界及界面对材料各种性能的影响规律 （6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等） 的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影 响规律
对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
8
五、几种典型材料中的晶界及界面及其与 性能的关系（4学时）
超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
1
刘庆 简历
1999年03- 现在，清华大学，材料科学与工程系，教授，博士生导师。 1993年8月- 1999年3月, 丹麦 Ris 国家实验室，材料研究部, 高级研究员。 1991年5月-1993年8月， 博士后，北京科技大学，1992年10 ，副教授。 1987年7月-1991年4月， 助教，讲师, 哈尔滨工业大学。 1984年－1991年，哈尔滨工业大学，金属材料，工学硕士，工学博士。 1984年，重庆大学 冶金及材料工程系，工学学士。
A、塑性变形：位错界面、亚晶界及晶界的形成 B、再结晶形核、长大过程中晶界的作用
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10％压下量
30％压下量
50％压下量
深冲用IF钢轧制变 形组织的TEM图像
70％压下量
44
RD ND
Copper-I Copper-II
SS-II Brass-I Brass-II Random cube 0-10
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的 关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的关系
9
课程教材及主要参考书：
1、材料界面结构与特性 叶恒强、朱静等 科学出版社 2、金属的晶界与强度 宋余九编 西安交大出版社 3、 固体材料界面研究的物理基础 闻立时著 科学出版社 4、复合材料基体与界面 赵玉庭等著 华东化工学院出版社 5、材料的表面与界面 李恒德等编 清华大学出版社
物理冶金原理：5-扩散
D = Do × e-Q/RT Ln D = ln Do－Q/RT
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism:
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 温度足够高：能量起伏、热激活 • 时间足够长：大量原子微观上无规
则跃迁、物质的定向传输 • 存在驱动力（浓度梯度、化学位梯
度、应变能梯度、表面能梯度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、制备、加工、使用过程都是控制 扩散的过程：
• 固态相变与热处理过程： • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 成形热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 高温力学行为及氧化、腐蚀等性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism:
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 温度足够高：能量起伏、热激活 • 时间足够长：大量原子微观上无规
则跃迁、物质的定向传输 • 存在驱动力（浓度梯度、化学位梯
度、应变能梯度、表面能梯度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、制备、加工、使用过程都是控制 扩散的过程：
• 固态相变与热处理过程： • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 成形热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 高温力学行为及氧化、腐蚀等性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
物理冶金原理：6-晶界与相界
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
对力学性能影响较大 但对电性能影响小
沉淀强化：位错切割共格粒子
Precipitation Strengthening: Particle-Cutting
• 强化效果取决于粒子的本性！
沉淀析出第二相粒子的强化效果及 强化机制与粒子尺寸的关系：
Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles
降低原子扩散速率 阻碍位错运动与交滑移 阻碍晶界滑移与迁移 阻碍晶粒长大
金属材料的高温蠕变
Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet Engine
Turbofan GP7000 for Airbus 380
Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries
晶体的界面结构(共45张PPT)
2．半共格相界 假设两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，那么在相界面上不可能做到完全的一一对
应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子局部地保持 匹配，这样的界面称为半共格界面或局部共格界面。
从能量角度而言，以半共格界面代替共格界面更为有利。
3.非共格相界----两相在相界面处的原子排列相差很大。
位相角：θ〔沿坐标系中某一旋转轴的旋转角〕 方向角：φ〔晶界与另一晶粒的位相角〕
2.2 小角晶界
二、晶界自由度 三维晶界------有5个自由度
位相角：θ1 ，θ2， θ 3〔三个相邻晶粒的旋转角〕 方向角：φ1 ，φ2 〔晶界与另一晶粒的位相角〕
2.2 小角晶界
三、小角度晶界的位错模型
倾转晶界〔由刃型位错构成〕 1.对称倾斜晶界
共格晶界: 2种相的原子在界面处完全匹配，形 成完整格界面。
半共格晶界：晶面间距相差较大，在界面上将 产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这
时界面上两相原子局部地保持匹配 。 非共格晶界: 界面上两相原子无任何匹配关系
晶界分类
(1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分：
小角度晶界 θ＝0°→3～10°
错配度定义为
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相的点阵常数，且a ＞ a 。
由此可求得位错间距D为 D=α/δ
当δ很小时，可以近似为
D≈|b|/δ 当δ很小时，D很大，α和β相在相界面上趋于共格，即成为共格相 界；
当δ很大时，D很小，α和β相在相界面上完全失配，即成为非共格相 界，
完全共格相界
3. 扭转晶界〔由螺型位错构成〕
以下图表示两个简单立方晶粒的扭转晶界结构，图中〔001〕 平面是共同的平面，可见这种晶界是由两组螺型位错交叉网络所形 成。扭转晶界两侧的原子位置是互相不吻合的，但这种吻合可以集 中到一局部原子的位置上，其余的局部仍吻合，不吻合的局部是螺 型位错。
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孪晶界强化
被称作金属材料的第五种强化方法
大角度晶界
High Angle Grain Boundaries
重合位置点阵模型
Coincidence Site Lattice
（CSL Model）
a
晶界的性质
重合位置点阵与大角度晶界
Coincidence Site Lattice and Large Angle Grain Boundaries
对力学性能影响较大 但对电性能影响小
孪晶界及其强化作用
孪晶界是一种低能共格晶界，它能够有效地阻位错运动并吸收部分位 错，因此可以起到与普通晶界相似的强化作用。但是共格孪晶界对电子的 散射能力极小，其电阻值比普通晶界的电阻低一个数量级。因此，通过引 入大量孪晶界（即制备出高密度纳米尺寸生长孪晶）可以大幅度提高材料 的强度而对其电导特性无明显影响。
性变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力t即为该多晶材料的屈服应 力ts f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)＝ t* ts = to + [t* f (r) bG] (-1/2) ×d(-1/2)
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
大角度晶界HREM像（CSL）
纯铝晶界能与晶粒取向差的关系
计算值
实验值
晶界能与晶粒取向差的关系
晶界强化
Grain Boundary Strengthening Hall-Petch公式：
ts= to + kd-1/2 ss= so + kd-1/2
晶界前位错塞积群数目 n ∝{ (t-to)×d｝/（b×G） 领先位错处的应力场 t(r) ∝ n× (t-to) = ｛(t-to) 2×d｝/（b×G） 在相邻晶粒位错源S2处的分切应力t(r)=f(r)×t(r) = {f(r)×(t-to)2×d}/(b×G) 当t(r)≥ t*时， （t*为位错源S2开动的临界应力），S2开动，相邻晶粒发生塑
面缺陷：晶界与相界面
Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases
《物理冶金学原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)
中科院金属研究所提出利用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径以 实现超高强度和高导电性并最近获得成功。他们采用脉冲电解沉积技术制 备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，通过工艺过程研究调整样 品的晶粒尺寸、孪晶厚度及其分布、织构状态等，获得了具有超高强度和 高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达1068MPa（是普通纯铜的十倍以上， 达到高强度钢或铜晶须的强度水平），而室温电导率与无氧高导（OFHC） 铜相当（97%IACS）。
晶界及相界的结构、 性质、作用!
Grain Boundaries in Titanium Alloy
镍基单晶高温合金中
的Ni3Al/Ni相界面！
Ni3Al/Ni Coherent Interface in SingleCrystal Ni-Base Superalloy
材料的物理化学性能 与晶界与相界结构
- etc
Properties:
- Mechanical - Functional
面缺陷：晶界与相界面
Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases
Planar Defects
面 缺 陷
Hale Waihona Puke 晶界小角度晶界（small angle GB）
强度和导电性是导体金属材料的两个至关重要性能。纯金属（如银、 铜等）具有很高的导电率，但其强度极低（均小于100MPa）。通过合金化 固溶强化、晶粒细化、加工强化等强化技术可大幅提高强度，但往往导致 金属材料电导率的大幅度降低，其原因在于这些强化技术本质上是在材料 中引入各种缺陷，如晶粒细化引入更多晶界，加工强化引入大量位错，这 些缺陷会显著增大对电子的散射，从而降低导电性能。
Grain Boundaries 大角度晶界（large angle GB）
相界
Interfaces
共格界面 coherent 非共格界面 non-coherent 半共格界面 semi-coherent
表面
Free Surface
实际金属材料中的晶界与相界 • 单相单晶材料： • 单相多晶材料：晶界 • 多相材料：相界面、相结构
对称倾侧小角度晶界 由刃位错墙组成
Symmetric Tilt Small Angle Grain Boundaries
Egb=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)}
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries
孪晶界：一种理想的共格界面 无应变能、界面能即层错能
• 物理性能：电阻、磁性、导热性 • 化学性能：耐蚀性、抗氧化性能 • 力学性能：强度、塑性、韧性、裂
纹扩展
• 工艺性能：冷变形、热变形、焊接、 热处理、机械加工、
晶界的描述: 5个自由度
Grain Boundary
Crystal I
小角度晶界
Low Angle Grain Boundaries