多晶體的塑性變形與細(xì)晶強(qiáng)化簡(jiǎn)析

01

多晶體材料

實(shí)際使用的材料多由多晶體組成，多晶體材料是由許多取向不同的小單晶體，即晶粒組成的。

晶粒和晶粒之間的過(guò)渡區(qū)域就稱為晶界，如圖1所示。

晶界具有如下特點(diǎn)：

① 晶界處原子排列的周期性被破壞，能量高；

② 晶界內(nèi)含有大量的晶體缺陷，包含位錯(cuò)、缺陷、雜質(zhì)或沉淀相等。

圖1多晶體材料

室溫時(shí)，多晶體塑性變形的機(jī)制仍為滑移和孿生。但由于晶界的存在，多晶體材料的塑性變形有如下特點(diǎn)：

① 各晶粒不能同時(shí)變形；

② 各晶粒的變形不均勻；

③ 各變形晶粒相互協(xié)調(diào)。保持晶體連續(xù)變形需至少5個(gè)獨(dú)立滑移系開(kāi)動(dòng)。

02

多晶體材料塑性變形時(shí)晶界的作用

晶界在多晶體塑性變形中的作用主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①協(xié)調(diào)作用 由于協(xié)調(diào)變形的要求，在晶界處變形必須連續(xù)，否則在晶界處就會(huì)裂開(kāi)。

②障礙作用 低溫或室溫下，晶界強(qiáng)度大于晶粒強(qiáng)度，因此滑移主要是在晶粒內(nèi)進(jìn)行。同時(shí)，由于晶界內(nèi)大量缺陷的應(yīng)力場(chǎng)，使晶粒內(nèi)部滑移更加困難。

③促進(jìn)作用 高溫下變形時(shí)，由于晶界強(qiáng)度比晶粒弱，因此，相鄰兩晶粒還會(huì)沿著晶界發(fā)生滑動(dòng)。但變形量往往小于滑移和孿生的變形量。

④起裂作用 由于晶界阻礙滑移，因此晶界處往往應(yīng)力集中，同時(shí)，由于雜質(zhì)和脆性影響，第二相往往優(yōu)先分布與晶界，使晶界變脆。

此外，由于晶界處缺陷多，原子處于能量較高的狀態(tài)，所以晶界往往優(yōu)先被腐蝕。

這些都導(dǎo)致晶界強(qiáng)度變?nèi)?，再變形中發(fā)生斷裂。

等強(qiáng)溫度：在低溫或室溫下，晶界強(qiáng)度大于晶粒強(qiáng)度；在高溫下，晶界強(qiáng)度小于晶粒強(qiáng)度。

因此，存在一個(gè)晶界、晶粒強(qiáng)度相等的溫度，稱為等強(qiáng)溫度。

通過(guò)對(duì)α-Fe在室溫和高溫下拉伸的實(shí)驗(yàn)得到：在低溫下，晶界強(qiáng)度較大，而晶粒強(qiáng)度較??；在高溫下，晶界強(qiáng)度較小，而晶粒強(qiáng)度較大。

03

Hall-Petch公式

晶粒大小，即晶粒度，對(duì)晶體的各種性能都有影響，其中影響最大的是力學(xué)性能。

由于晶粒越細(xì)，阻礙滑移的晶界越多，屈服極限也就越高。

并得到關(guān)于屈服極限σy和晶粒度d的關(guān)系式：

單晶體的屈服強(qiáng)度——臨界分切應(yīng)力定律：

多晶體的屈服強(qiáng)度——霍爾-配奇經(jīng)驗(yàn)公式：

d為晶粒的平均直徑

σ0為單晶體的屈服強(qiáng)度，為常數(shù)

Ky為晶界對(duì)強(qiáng)度的影響系數(shù)，為常數(shù)

由此看出，在一定晶粒尺寸的范圍內(nèi)，晶粒越細(xì)小，多晶體材料的強(qiáng)度越高。該式可用來(lái)解釋細(xì)晶強(qiáng)化。

04

細(xì)晶強(qiáng)化

多晶體的屈服強(qiáng)度隨晶粒的細(xì)化而提高（細(xì)晶強(qiáng)化）

原因：粗大晶粒的晶界處塞積的位錯(cuò)數(shù)目多(位錯(cuò)塞積條數(shù)與位錯(cuò)源到障礙物距離相關(guān))，應(yīng)力集中大，易于啟動(dòng)相鄰晶粒的位錯(cuò)源，滑移傳遞(塑性變形)容易，而使屈服強(qiáng)度降低。晶粒細(xì)小，晶界數(shù)量增加。晶界對(duì)于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。

多晶體的塑性、韌性隨晶粒的細(xì)化而提高（細(xì)晶強(qiáng)化的同時(shí)增強(qiáng)韌性）

原因：晶粒細(xì)小，晶界處塞積的位錯(cuò)數(shù)目少晶界及其它障礙物前沿應(yīng)力集中小，這使得滑移面有利取向晶粒變形過(guò)程停止。不至于滑移面有利取向晶粒大量變形、大量塞積位錯(cuò)而過(guò)早萌生裂紋，導(dǎo)致材料斷裂。



圖2材料的強(qiáng)度、塑性與晶粒尺寸關(guān)系的示意圖

05

細(xì)晶強(qiáng)化的方法

1）提高過(guò)冷度：金屬結(jié)晶的形核率N，長(zhǎng)大速率G和過(guò)冷度的關(guān)系如圖3所示。

圖3過(guò)冷度對(duì)形核率核長(zhǎng)大速度的影響

2）變質(zhì)處理：外來(lái)雜質(zhì)能增加金屬的形核率或阻礙晶核的長(zhǎng)大。在澆注前向液態(tài)金屬中加入某些難熔的固體顆粒，會(huì)顯著的增加晶核數(shù)量，使晶粒細(xì)化，如：Al、Ti、Nb、V等元素在鋼中形成強(qiáng)碳化物或氮化物，形成彌散的分布顆粒來(lái)阻止晶粒的長(zhǎng)大。

3）在澆注和結(jié)晶過(guò)程中實(shí)施攪拌和震動(dòng)，也可以細(xì)化晶粒。攪拌和震動(dòng)能向液體中輸入額外的能量以提供形核功；另外，還可以使結(jié)晶的枝晶破碎，增加晶核的數(shù)量。

4）熱處理細(xì)化晶粒：一旦形成了粗晶粒，只要是晶界上沒(méi)有很多難熔析出物，通過(guò)一次或者多次奧氏體化，可以使晶粒細(xì)化。

審核編輯：劉清