【材料课堂】多晶体的塑性变形与细晶强化

01

多晶体材料

实际使用的材料多由多晶体组成， 多晶体材料是由许多取向不同的小单晶体，即晶粒组成的。晶粒和晶粒之间的过渡区域就称为晶界， 如图1所示 。

晶界具有如下特点：

① 晶界处原子排列的周期性被破坏，能量高；

② 晶界内含有大量的晶体缺陷，包含位错、缺陷、杂质或沉淀相等。

图1 多晶体材料

室温时，多晶体塑性变形的机制仍为滑移和孪生。 但由于晶界的存在，多晶体材料的塑性变形有如下特点：

① 各晶粒不能同时变形；

② 各晶粒的变形不均匀；

③ 各变形晶粒相互协调。保持晶体连续变形需至少5个独立滑移系开动。

02

多晶体材料塑性变形时晶界的作用

晶界在多晶体塑性变形中的作用主要体现在以下几点：

①协调作用

由于协调变形的要求，在晶界处变形必须连续，否则在晶界处就会裂开。

②障碍作用

低温或室温下，晶界强度大于晶粒强度，因此滑移主要是在晶粒内进行。同时，由于晶界内大量缺陷的应力场，使晶粒内部滑移更加困难。

③促进作用

高温下变形时，由于晶界强度比晶粒弱，因此，相邻两晶粒还会沿着晶界发生滑动。但变形量往往小于滑移和孪生的变形量。

④起裂作用

由于晶界阻碍滑移，因此晶界处往往应力集中，同时，由于杂质和脆性影响，第二相往往优先分布与晶界，使晶界变脆。此外，由于晶界处缺陷多，原子处于能量较高的状态，所以晶界往往优先被腐蚀。这些都导致晶界强度变弱，再变形中发生断裂。

等强温度：在低温或室温下，晶界强度大于晶粒强度；在高温下，晶界强度小于晶粒强度。因此，存在一个晶界、晶粒强度相等的温度，称为等强温度。

通过对α-Fe在室温和高温下拉伸的实验得到：在低温下，晶界强度较大，而晶粒强度较小；在高温下，晶界强度较小，而晶粒强度较大。

03

Hall-Petch 公式

晶粒大小，即晶粒度，对晶体的各种性能都有影响，其中影响最大的是力学性能。由于晶粒越细，阻碍滑移的晶界越多，屈服极限也就越高。并得到关于屈服极限 σ y 和晶粒度 d 的关系式：

单晶体的屈服强度——临界分切应力定律：

多晶体的屈服强度——霍尔-配奇经验公式：

d 为晶粒的平均直径

σ0为单晶体的屈服强度，为常数

Ky 为晶界对强度的影响系数，为常数

由 此看出，在一定晶粒尺寸的范围内，晶粒越细小，多晶体材料的强度越高。 该式可用来解释细晶强化。

04

细晶强化

多晶体的屈服强度随晶粒的细化而提高（细晶强化）

原因：粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多(位错塞积条数与位错源到障碍物距离相关) ，应力集中大，易于启动相邻晶粒的位错源，滑移传递(塑性变形)容易，而使屈服强度降低。晶粒细小，晶界数量增加。晶界对于位错运动产生阻力。

多晶体的塑性、韧性随晶粒的细化而提高（细晶强化的同时增强韧性）

原因：晶粒细小，晶界处塞积的位错数目少晶界及其它障碍物前沿应力集中小，这使得滑移面有利取向晶粒变形过程停止。不至于滑移面有利取向晶粒大量变形、大量塞积位错而过早萌生裂纹，导致材料断裂。

图2 材料的强度、塑性与晶粒尺寸关系的示意图

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细晶强化的方法

1）提高过冷度：金属结晶的形核率N，长大速率G和过冷度的关系如图3所示。

图3 过冷度对形核率核长大速度的影响

2）变质处理：外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的长大。在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固体颗粒，会显著的增加晶核数量，使晶粒细化，如：Al、Ti、Nb、V等元素在钢中形成强碳化物或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶粒的长大。

3）在浇注和结晶过程中实施搅拌和震动，也可以细化晶粒。搅拌和震动能向液体中输入额外的能量以提供形核功；另外，还可以使结晶的枝晶破碎，增加晶核的数量。

4）热处理细化晶粒：一旦形成了粗晶粒，只要是晶界上没有很多难熔析出物，通过一次或者多次奥氏体化，可以使晶粒细化。

来源：材子考研。