01

多晶體材料

實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渡區域就稱為晶界，如圖1所示。

晶界具有如下特點：

① 晶界處原子排列的周期性被破壞，能量高；

② 晶界內含有大量的晶體缺陷，包含位錯、缺陷、雜質或沉淀相等。

圖1多晶體材料

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

① 各晶粒不能同時變形；

② 各晶粒的變形不均勻；

③ 各變形晶粒相互協調。保持晶體連續變形需至少5個獨立滑移系開動。

02

多晶體材料塑性變形時晶界的作用

晶界在多晶體塑性變形中的作用主要體現在以下幾點：

①協調作用 由于協調變形的要求，在晶界處變形必須連續，否則在晶界處就會裂開。

②障礙作用 低溫或室溫下，晶界強度大于晶粒強度，因此滑移主要是在晶粒內進行。同時，由于晶界內大量缺陷的應力場，使晶粒內部滑移更加困難。

③促進作用 高溫下變形時，由于晶界強度比晶粒弱，因此，相鄰兩晶粒還會沿著晶界發生滑動。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，因此晶界處往往應力集中，同時，由于雜質和脆性影響，第二相往往優先分布與晶界，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，所以晶界往往優先被腐蝕。

這些都導致晶界強度變弱，再變形中發生斷裂。

等強溫度：在低溫或室溫下，晶界強度大于晶粒強度；在高溫下，晶界強度小于晶粒強度。

因此，存在一個晶界、晶粒強度相等的溫度，稱為等強溫度。

通過對α-Fe在室溫和高溫下拉伸的實驗得到：在低溫下，晶界強度較大，而晶粒強度較小；在高溫下，晶界強度較小，而晶粒強度較大。

03

Hall-Petch公式

晶粒大小，即晶粒度，對晶體的各種性能都有影響，其中影響最大的是力學性能。

由于晶粒越細，阻礙滑移的晶界越多，屈服極限也就越高。

并得到關于屈服極限σy和晶粒度d的關系式：

單晶體的屈服強度——臨界分切應力定律：

多晶體的屈服強度——霍爾-配奇經驗公式：

d為晶粒的平均直徑

σ0為單晶體的屈服強度，為常數

Ky為晶界對強度的影響系數，為常數

由此看出，在一定晶粒尺寸的范圍內，晶粒越細小，多晶體材料的強度越高。該式可用來解釋細晶強化。

04

細晶強化

多晶體的屈服強度隨晶粒的細化而提高（細晶強化）

原因：粗大晶粒的晶界處塞積的位錯數目多(位錯塞積條數與位錯源到障礙物距離相關)，應力集中大，易于啟動相鄰晶粒的位錯源，滑移傳遞(塑性變形)容易，而使屈服強度降低。晶粒細小，晶界數量增加。晶界對于位錯運動產生阻力。

多晶體的塑性、韌性隨晶粒的細化而提高（細晶強化的同時增強韌性）

原因：晶粒細小，晶界處塞積的位錯數目少晶界及其它障礙物前沿應力集中小，這使得滑移面有利取向晶粒變形過程停止。不至于滑移面有利取向晶粒大量變形、大量塞積位錯而過早萌生裂紋，導致材料斷裂。



圖2材料的強度、塑性與晶粒尺寸關系的示意圖

05

細晶強化的方法

1）提高過冷度：金屬結晶的形核率N，長大速率G和過冷度的關系如圖3所示。

圖3過冷度對形核率核長大速度的影響

2）變質處理：外來雜質能增加金屬的形核率或阻礙晶核的長大。在澆注前向液態金屬中加入某些難熔的固體顆粒，會顯著的增加晶核數量，使晶粒細化，如：Al、Ti、Nb、V等元素在鋼中形成強碳化物或氮化物，形成彌散的分布顆粒來阻止晶粒的長大。

3）在澆注和結晶過程中實施攪拌和震動，也可以細化晶粒。攪拌和震動能向液體中輸入額外的能量以提供形核功；另外，還可以使結晶的枝晶破碎，增加晶核的數量。

4）熱處理細化晶粒：一旦形成了粗晶粒，只要是晶界上沒有很多難熔析出物，通過一次或者多次奧氏體化，可以使晶粒細化。

審核編輯：劉清