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第四章 晶界强化机制 哈工大（威海）材料学院 吴 欣 第四章 晶界强化机制 本章主要内容 建立晶界强化的模型 物理模型——揭示晶界的作用 数学模型——流变应力与晶粒大小的关系 本章学习思路 晶界的结构——晶界的特点——晶界对变形的影响 4.1 晶界及其特点 一.晶界的分类及其结构 1. 小角度晶界 θ＜1０° u-产生晶界的旋转轴的矢量 n-晶界的法向矢量 1)倾侧晶界 4.1 晶界及其特点 对称倾侧晶界 4.1 晶界及其特点 对称倾侧晶界 4.1 晶界及其特点 非对称倾侧晶界 4.1 晶界及其特点 一.晶界的分类及其结构 1. 小角度晶界 θ＜1０° 2）扭转晶界 4.1 晶界及其特点 扭转晶界的形成 4.1 晶界及其特点 一.晶界的分类及其结构 2. 大角度晶界 θ：30-40° 相符点阵模型：大角晶界由厚度为2层原子的过渡区构成，其中存在对排区与错排区。 4.1 晶界及其特点 4.1 晶界及其特点 4.1 晶界及其特点 4.1 晶界及其特点 二.晶界的特点 １．晶界是位错运动的障碍. 无论大角晶界或小角晶界，都是位错运动的有效障碍 原因如下：. 晶界具有短程应力场 位错切过小角晶界形成台阶，可能成为晶界位错 运动位错与晶界位错发生反应形成不动位错 运动位错进入大角晶界时发生分解形成几个晶界位错 4.1 晶界及其特点 二.晶界的特点 ２．晶界是位错源. 晶界向晶内发射位错的机制有两种： （1）如果晶界中的“坎”或台阶是晶界位错时，会在外力下分解，产生一个晶格位错进入晶内 如在FCC晶体中 全位错[110]/2将进入晶内 位错源的特点：①较大的应力下开动 ②晶界位错形成一个晶格位错 4.1 晶界及其特点 （2）如果晶界中的“坎”或台阶不 是晶界位错时，也可以发射位错 当一个可沿晶界滑动的晶界位错 运动到“坎”处时会发生分解 FCC中 全位错[110]/2将进入晶内 。 位错源的条件：①不能自动进行，必须有较大应力 ②温度较低，不能攀移 ４.2 晶界强化的物理模型 一.晶界的直接强化作用（对小角晶界） 是晶界本身对晶内滑移的阻碍 1.位错与晶界应力场的弹性交互作用 晶界具有短程应力场，阻碍晶格滑移位错进入或通过晶界 2.位错切过晶界 3.位错与晶界位错发生反应生成不可动位错 ４.2 晶界强化的物理模型 二.晶界的间接强化作用（双晶变形模型） 是晶界的存在引起的潜在强化效应，主要包括两方面 １．晶界的次滑移强化 基本概念：在塑性变形过程中，晶界的存在会导致在晶界附近产生附加滑移，使晶体附近的位错密度增高，产生加工硬化。 可用双晶体模型解释产生附加滑移的原因 ４.2 晶界强化的物理模型 微观上看，附加滑移是由两相邻晶体变形不协调而产生，包括弹性变形（切应变/正应变两方面）和塑性变形的不协调、不匹配 1）弹性切应变不匹配 ４.2 晶界强化的物理模型 2）弹性正应变不匹配 无论正应变或切应变的不匹配，都会在两个晶体中产生附加应力。应力的大小与各自的切变模量与杨氏模量有关。 ４.2 晶界强化的物理模型 附加应力的定量计算结果 晶界附近的附加应力数值随距界面距离的增加而迅速降低。 晶界附近的附加应力会超过外加应力。单纯的外应力虽不足是晶体发生塑变，但叠加上附加应力后足以发生。 ４.2 晶界强化的物理模型 2）塑性变形不匹配 由于晶粒取向不同，A晶粒变形后位错堆积在晶界处，产生严重的应力集中。其与外应力的叠加不仅开动了B中的主滑移系，也开动了其他的附加滑移系。 于是晶界附近产生多滑移。晶界由此硬化。 ４.2 晶界强化的物理模型 二.晶界的间接强化作用（双晶变形模型） ２．晶粒间取向差引起的强化 由于上述的晶粒间变形不同时性，运动位错会在晶界处受阻。 后会在应力集中与外应力的叠加作用下开动相邻晶粒的多个滑移系，表现出多滑移的硬化效果。 ４.3 位错塞积 一、位错塞积群的特性和种类 1.位错塞积群的种类 1)单一位错塞积群 ４.3 位错塞积 2)双重位错塞积群 ４.3 位错塞积 2.位错塞积群的特性 1）相当于一个超位错 其柏氏矢量为Nb，位于领先位错处 2）双重塞积群可看作两个超位错，柏氏矢量各为Nb，且刃型同号位错数目： 3）单一塞积群中超位错所含刃型位错的数目 ４.3 位错塞积 二、位错塞积群引起的应力集中 单一塞积群中作用在领先位错上的力为 双重塞积群则为： 即领先位错