[科普中國(guó)]-晶界強(qiáng)化

簡(jiǎn)介

晶界強(qiáng)化的本質(zhì)在于晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，晶粒越細(xì)小，晶界越多，阻礙作用也越大，強(qiáng)化的效果越好。晶粒越細(xì)小，晶界越多，晶界可以把塑性變形限定在一定范圍內(nèi)，使塑性變形均勻化，因此細(xì)化晶粒可以提高鋼的塑性。晶界又是裂紋擴(kuò)展的阻礙，所以晶粒細(xì)化可以改善鋼的韌性，晶界強(qiáng)化是唯一能在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)，不損害其韌性的方法。1

在高溫下形變時(shí)晶界表現(xiàn)為薄弱環(huán)節(jié)，呈沿晶破斷特征。晶界區(qū)原子排列不規(guī)則，且存在各種晶體缺陷（如位錯(cuò)、空位等）。在低溫形變條件下，晶界基本不參與形變，可以阻礙晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起強(qiáng)化作用。但隨著溫度的升高，晶界強(qiáng)度迅速下降，在某一溫度區(qū)間內(nèi)晶界強(qiáng)度與晶內(nèi)強(qiáng)度大致相當(dāng)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高。晶界強(qiáng)度就比晶內(nèi)強(qiáng)度低，該溫度即是等強(qiáng)溫度（T等強(qiáng)）。等強(qiáng)溫度與應(yīng)變速率有關(guān)，應(yīng)變速率愈慢，等強(qiáng)溫度愈低。由于高溫合金多在等強(qiáng)溫度區(qū)或更高溫度下使用，所以晶界強(qiáng)化是高溫合金的基本問(wèn)題。

添加元素合金中應(yīng)避免含有使晶界弱化的雜質(zhì)元素．而應(yīng)含有能有效強(qiáng)化晶界的微量元素。合金中加入微量的B、Zr、Hf、堿土金屬（Ca、Mg、Ba）以及稀土元素可顯著地消除有害氣體和雜質(zhì)元素的作用，強(qiáng)化晶界。

堿土金屬和稀土元素的作用：這類金屬的化學(xué)活性高，與氧的親和力強(qiáng)，可以在合金的冶煉過(guò)程中起良好的脫氧去氣作用。顯著地改善合金的晶界結(jié)構(gòu)，起到強(qiáng)化晶界作用。

硼的作用：硼是高溫合金常用的晶界強(qiáng)化元素。硼的原子半徑略大于碳，能組成間隙固溶體的趨勢(shì)。硼在合金中的作用主要是在晶界偏聚造成局部合金化，顯著地改變了晶界狀態(tài)，降低了元素在晶界上的擴(kuò)散過(guò)程而強(qiáng)化了晶界。硼還能影響合金中碳化物或一些金屬問(wèn)化合物的析出，改善晶界上碳化物的密集不均勻狀態(tài)．因而對(duì)合金的熱強(qiáng)性有利。但過(guò)量的硼能形成低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)物，其不利作用類似形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)。2

多晶材料的晶界強(qiáng)化機(jī)制多晶的強(qiáng)化與結(jié)構(gòu)因素實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)際使用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶材料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多晶體的屈服強(qiáng)度明顯地高于同樣組成的單晶體，如下圖（a）所示。同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高，如下圖（b）所示。

原因解釋：晶體的屈服強(qiáng)度是使晶體開(kāi)始發(fā)生滑移的最小分切應(yīng)力的外在反映，屈服強(qiáng)度高，說(shuō)明晶體中位錯(cuò)滑移的啟動(dòng)較困難。多晶體中不同位向的晶粒之間存在著晶界，晶界以及晶界兩側(cè)晶粒的位向差，都會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。這種阻力主要來(lái)自兩個(gè)方面，其一，晶粒位向不一致造成的阻力。對(duì)于一定取向的力軸，不同晶粒不可能都處于滑移的最有利取向上；同時(shí)各個(gè)晶粒不同滑移系中最有利取向的滑移系的取向因子，也不可能都是最大值；加之各個(gè)晶粒之間的相互制約，使得它不能在最有利方向上變形，使滑移阻力增加。其二，晶界本身的阻力。與晶粒內(nèi)部相比，晶界上原子排列紊亂、不規(guī)則，伯氏矢量大，使滑移的臨界分切應(yīng)力增加；同時(shí)雜質(zhì)原子在晶界的偏聚或形成第二相顆粒沉積在晶界上，都會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

晶界強(qiáng)化機(jī)制晶體強(qiáng)化機(jī)制的實(shí)質(zhì)就是阻止晶體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在變形晶體滑移面上的位錯(cuò)，往往成列地塞積在晶界或亞一晶界前，形成位錯(cuò)塞積群。在雜質(zhì)、第二相顆?；虿粍?dòng)位錯(cuò)之前也會(huì)發(fā)生位錯(cuò)塞積現(xiàn)象。位錯(cuò)塞積群是位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中遇到阻礙，外力又不足以克服阻礙時(shí)形成的。位錯(cuò)在晶界附近的塞積情況如下圖所示：

A晶粒和B晶粒的滑移系統(tǒng)分別是OP、PN，相交于晶界的P處，它們的位向差為θ，O是A晶粒的外力作用點(diǎn)。為方便起見(jiàn)，假定O在晶粒中心，可看做是滑移系OP上的位錯(cuò)源。當(dāng)外力在滑移系上的分切應(yīng)力τ達(dá)到晶粒本身的臨界分切應(yīng)力τ臨界時(shí)，位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，放出位錯(cuò)。前面的位錯(cuò)遇到晶界的阻礙，停止于P處，其應(yīng)力場(chǎng)對(duì)后來(lái)的位錯(cuò)產(chǎn)生排斥力，使之依次停止在某個(gè)平衡位置上而形成位錯(cuò)塞積群。其中位錯(cuò)的分布情況是：離晶界越遠(yuǎn)（即離位錯(cuò)源O處越近）的位錯(cuò)間的距離越大。

停止于晶界前邊的位錯(cuò)，對(duì)晶界產(chǎn)生一個(gè)作用力，同時(shí)晶界也會(huì)對(duì)位錯(cuò)施以反作用力，使P點(diǎn)處產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。只有此處的應(yīng)力τp足以克服晶界和兩晶粒位向差造成的阻力時(shí)，位錯(cuò)才能通過(guò)晶界，A晶粒才會(huì)繼續(xù)變形。3