晶界与相界

由于其极低的界面 能，利用共格粒子 沉淀强化是强化高 温结构材料的主要 途径之一：例如
镍基高温合金 g’ (Ni3Al)/g-Ni
非共格界面－Non-Coherent Interface 特点：界面能很高！应变能很低！
弥散强化：位错绕过粒子
Dispersion Hardening： Particle-bypassing
沉淀强化：位错切割粒子
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ห้องสมุดไป่ตู้制与粒子尺寸的关系：
Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles
• 腐蚀、氧化、熔化等自晶界开始： • 高温变形之薄弱环节：晶界滑动、晶界迁移 • 晶粒易长大
晶界的运动（迁移）
Migration of Grain Boundaries
晶界迁移的驱动力
相邻晶粒内能差
晶界自由能差：小晶粒缩小消失、大晶
粒长大
应变能差：高应变晶粒缩小消失、低应变晶
粒长大
表面自由能：表面曲率引起的晶粒内部附加压力 2s sin(dq/2) = DP R dq DP = s/R s
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)
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
大角度晶界HREM像（CSL）
晶界与晶粒取向差的关系
纯铝晶界与晶粒取向差的关系
计算值
实验值
晶界强化
Grain Boundary Strengthening Hall-Petch公式：
Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles
半共格界面—Semi-coherent Interface
特点：介于共格与非共格之间界面之间！
第二相界面结构与相生长形态
• 界面共格：界面能很低、应变能很高 碟状、片状、针状：比表面积最大、 应变能最低！
晶界的性质：晶界的高能量
• 位错运动的不可逾越的障碍：Hall-Petch关系、细化
晶粒同时提高金属材料常温强度、塑性与韧性的唯一方法；
• 原子扩散的快速通道： • 固态相变形核之场所： • 溶质原子平衡偏聚的场所：晶界偏聚对材料物理、
化学、力学性质及加工制备工艺性能具有重要影响。 – 降低晶界能： – 晶界结合力提高： – 晶界结合力降低或变脆：
ts= to + -1/2 ss= so + kd
-1/2 kd
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 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t s f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)＝ t* ts = to + [t* f (r) bG] (-1/2) ×d(-1/2)
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)}
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)= to + kd(-1/2)
镍基高温合金 g’ (Ni3Al)/g-Ni
高稳定粒子弥散强化： ODS高温合金
晶界高温变形簿弱环节！ 晶界滑动 晶界迁移
s晶界 s晶内 s T Tc ToC
激光材料加工与表面工程实验室
BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface Engineering
Hall-Petch公式： ts= to + kd(-1/2)
t
S1
n
r
S2
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)
提高金属材料高温强度的方法
• 基体材料：
– 高熔点金属; 高原子间结合力材料 (金属间化合物等)： – 致密的晶体结构（FCC、HCP、TCP）、低的层错能
• 合金元素：
– 加入高熔点、难扩散合金元素固溶强化
• 低界面能共格粒子沉淀强化（粒子长大区动力小） • 高稳定性粒子弥散强化：ODS • 晶界强化：
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
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
大角度晶界
High Angle Grain Boundaries
重合位置点阵 CSL Lattice
晶界粒子：
钉扎晶界和阻止晶界滑动
Temperature Capability Improvement Relative to Mar M002 CC Alloy of 1st-4th Generation Single-Crystal Superalloys
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
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
相界面
Interfaces between Phases
共格界面－Coherent Interface
形成条件：
1）两相晶体结构相同、晶格常数相近 2）某些晶面原子排列归律相同、原子间距相近
a
b
共格界面－Coherent Interface
特点：界面能很低！但应变能较高！
a
b
孪晶界：一种理想的共格界面 无应变能、界面能即层错能
由于表面自由能的 驱动：小晶粒
缩小、大晶粒 长大
s
正曲率晶粒缩小、负曲率晶粒长大 小晶粒缩小、大晶粒长大（马太效应）
影响晶界迁移运动的因素
• • • • • • • 温度: D=Do×exp(-Q/kT) 晶界能: 小角度晶界、低能晶界 晶粒内晶体缺陷密度及均匀性： 晶界元素偏析情况 晶界第二相： 晶界结构（锯齿状晶界、弯曲晶界等） 晶体性质（晶体结构、熔点、原子间结 合力、层错能等）
晶界及相界的结构、性 质、作用!
材料的物理化学性能 与晶界与相界结构
• 物理性能：电阻、磁性、导热性 • 化学性能：耐蚀性、 • 室温及高温力学性能：强度、塑 性、韧性、裂纹扩展、氧化性能 • 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
小角度晶界
Low Angle Grain Boundaries
Properties:
- Mechanical - Functional
- etc
面缺陷：晶界与相界面
Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases
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
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
强化效果只取决于粒子的尺寸d （粒子间距）！与粒子本性无关！
t
2 = Gb
/d
位错的线张力
2 T＝Gb /2