1、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:,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、
2、机械加工、,晶界的描述: 5个自由度,小角度晶界,Low Angle Grain Boundaries,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 = Eeq/b =Gbq /4p(1-n)ln(D/ro),q=b/D,D,Egb=Ee/D = Eeq/b =Gbq /4p(1-n)ln(D/ro),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,H
3、igh Angle Grain Boundaries,重合位置点阵CSL Lattice,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 StrengtheningHall-Petch公式： ts= to + kd-1/2 ss= so + kd-1/2,晶界前位错塞积群数目 n (t-to)d/（bG）领先位错处的应力场 t(r) n (t-to) =
4、 (t-to) 2d/（bG）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)2d/(bG)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) 2d/(bG) t* ts = to + t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2) Hall-Petch公式： ts= to + kd(-1/2),S1,n,S2,t,r,晶界前位错塞积群数目 n (t-to)d/（bG）领先位错处的应力场 t(r) n (t-to) = (
5、t-to) 2d/（bG）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)2d/(bG)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) 2d/(bG) t* ts= to + t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2)= to + kd(-1/2),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
6、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：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,s,s,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,由于表面自由能的驱动：小晶粒缩小、大晶粒长大,正曲率晶粒缩
7、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=Doexp(-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）,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,b,a,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
8、无应变能、界面能即层错能,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机制与粒子尺寸的关系：Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles,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
9、 Hardening： Particle-bypassing,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 = Gb2/d,位错的线张力 TGb2/2,t = Gb2/2R,Dispersion Strengthening,Particle Size (d),Yield Strength (t),沉淀析出第二相粒子的强化效果及强化机制与粒子尺寸的关系：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
10、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！界面非共格：界面能很高、应变能很低 球状：比表面积最小，表面能最低！半共格界面：界与上述两者之间,润湿性（界面结构）与第二相生长形态,非共格？共格,提高金属材料高温强度的方法（高温金属材料强化方法）高温变形: 晶界迁移、晶界滑动蠕变(Creep),提高金属材料高温强度的方法（高温金属材料强化方法）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,Turbo
11、fan GP7000 for Airbus 380,Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines,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：阻止晶界滑动：晶界上析出第二相粒子钉扎晶界、锯齿状晶界、弯曲晶界等微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：降低晶界移动性、阻止晶界迁移减少晶界(粗晶粒); 消除横向晶界：定向凝固柱状晶合金消除全部晶界：单晶合金,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,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,T,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,
