金属晶界的发展.doc

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1、金属材料品界丁•程研究进展陈善华1,吴杰1,管登高1,邹丛沛2,邱绍宇2（1.成祁理工人学材料与化学化工学院，四川成都610059;2.中国核动力硏究设计院核燃料及材料国家重点实验室，四川成都610041）摘耍:利用品界工程技术能够显苦提高金属材料的力学、化学及磁学性能，因此，品界工程已成为金属材料研究的一个連:要领域。本文对品界工程的基木理论进行了介绍,在此基础上综述了近年来这一研究领域的发展概况,并提出了未来的进一步研究方向。关键词:晶界工程；晶界特征分布；重合位置点阵；形变热处理工艺1•引言多晶体金属材料是材料科学的主耍研究对象之一,其品界结构与性质强烈地影响着品界迁动、溶

2、质原子在品界的偏聚等现象以及材料的力学和物理性能等。因此，研究品界与材料性能的关系，从而通过品界控制和设计来改进材料性能已成为材料科学研究的一个重耍领域。19別年Watanabe[1]首次提出了“晶界设计与控制”思想，指出采用适当丁芝可以增加多品体中重合位置点阵（CoincidenceSiteLattice,CSL）界的数址，从而提高材料的强韧性能。1995年Lin等人[2]第一次通过实验研究评估了“晶界设计和控制”对块体材料抗晶间腐蚀性能的影响，并进一步把它发展为晶界工程GrainBoundaryEngineering,GBE）。后来Randle[3,4]在前人研究基础上提出了

3、工3再生模型以及与弯生相关的晶界工程理论，成功地解释了材料中大量工3品界的产生原因，并说明了品界工程中品界结构的演变机制。近年来，品界工程理论也已在提高不锈钢、谋基合金等许多金属材料性能方ifii得到了成功应用。本文将对品界工程的基本理论及篡国内外最新硏究成果进行综述和评价。2.晶界结构品界结构的一般儿何模型包括重合位置点阵（CSL）模型、0点阵、DSC点阵、结构单元模型和多面体单元模型等，但应用最广的仍为逍合位置点阵模型。在CSL模型中，由不同収向晶体中某些位置相互巫合的原子组成一个新点阵，即CSI,点阵，并用CSL单胞体积与品体点阵单胞体积的比工来表示其数值。工越人,CSL密

4、度越小。当晶界能量较高时，重合位置点阵晶界上的原子可能不严格占据规定的儿何位胃，而是具冇能量口发降低的趋势，使品界原子发生刚性松弛。一般把具有特殊性能的晶界称为特殊晶界,它必须至少满足两个条件:①界面为工W29的CSL品界[5]:②重合位置点阵模型准则[6]:収向差0的最人偏离址A0应满足Brandon标准，即A0£15°E-1/2,或者Palumbo2Aust标准,即A0£15°工-5/6。而工>29的CSL晶界和非CSL品界则称为一般品界[5]oX1（指工二1,下同）小角度特殊品界具冇较低能呈和迁移率，工3晶界包括共格、非共格宇品以及不对称的倾转、扭转和不规则界血等，而退火宇

5、晶则属丁•具冇工3CSI,晶界结构的“共格挛晶”［3-4］o在晶界迁移过程中，当三条晶界在同一•结点相遇时，会发生3个品界之间的聚合2分解作用，形成3条非特殊品界、2条非特殊品界和一条特殊品界、1条非特殊晶界和2条特殊品界以及3条特殊品界等4种晶界形态。…般把含有2条或3条特殊晶界的三结点称为特殊三结点［7］。3•与李生有关的品界工程理论通常，品界工程是通过形变热处理工艺仃hermomechanicalProcess!ng,TMP）实现的。在形变过程中，低层错能冷变形多晶材料中的位错难以发生交滑移，从而增人了滑移变形难度，同时可降低宇品界的界面能，促使材料在位借移动之前产工李品变

6、形，所以低层错能多品材料易丁产生形变弯品。这种挛品的存在也能进一步阻I匕位错滑移，丁-是在晶体中产生佼人的应变能，为后续热处理过程中品界的选择性迁移提供了驱动力［3］。在再结品退火过程中，品界会发生重新取向，从而形成工3挛晶界，促进位错的吸收和移动。根据工3再生模型（图1）［4］,在晶界移动过程中，X3n与工3n+l（n为」E整数）品界相遇时,可能发生下列反应：X3n+X3n+1-*S3（1）工3n+工3n+l—工3n+2（2）Randle［4］认为,工3n与S3n+1晶界之间的反应为（1）式而不是（2）式。这是因为按⑴式产生的工3非共格亭品比按（2）式产生的X3n+2品界能更低

7、，而目■具有更人的迁移率，促使工3品界优先形成。Lin等人⑻的研究结果表明，形变热处理材料中X3晶界在特殊晶界中的体积分数均超过50%（最高可达84%）,这一现象就是苗于X3再生机制所产生的。图1工3再生模型示意图［俎（a）左边晶粒中的工3共格李晶与右边晶粒碰撞产生可移动晶界（箭头所示）；（b）可移动晶界继续运动到右边品粒中的工3共格李品处，在A点形成X3-X3-X9三节点形态；（c）比工3共格亭品界更易于移动的工9品界继续运动,直至与第二个工3共格李晶相遇，在B点形成新的工3-