北航物理冶金原理6晶界與相界_第1頁(yè)
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1、面缺陷:晶界與相界面Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases,《物理冶金學(xué)原理》研究對(duì)象:,,面缺陷:晶界與相界面Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases,,實(shí)際金屬材料中的晶界與相界,單相單晶材料:?jiǎn)蜗喽嗑Р牧希壕Ы缍嘞嗖牧希合嘟缑?、相結(jié)構(gòu)?晶界及相界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、

2、作用!,材料的物理化學(xué)性能與晶界與相界結(jié)構(gòu),物理性能:電阻、磁性、導(dǎo)熱性化學(xué)性能:耐蝕性、室溫及高溫力學(xué)性能:強(qiáng)度、塑性、韌性、裂紋擴(kuò)展、氧化性能工藝性能:冷變形、熱變形、焊接、熱處理、機(jī)械加工、,晶界的描述: ?5個(gè)自由度,,小角度晶界,Low Angle Grain Boundaries,對(duì)稱傾側(cè)小角度晶界?由刃位錯(cuò)墻組成Symmetric Tilt Small Angle Grain Boundaries,,,,Egb

3、=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)},q=b/D,,,,,,,D,,,,Egb=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)},對(duì)稱傾側(cè)小角晶界HREM照片 (高分辨透射電子顯微照片),,,,,,扭轉(zhuǎn)小角度晶界:由兩列柏氏矢量互相垂直的螺位錯(cuò)組成(螺位錯(cuò)網(wǎng))Twist Small Angle Grain Boun

4、daries,,大角度晶界,High Angle Grain Boundaries,重合位置點(diǎn)陣CSL Lattice,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,晶界的性質(zhì),,重合位置點(diǎn)陣與大角度晶界Coincidence Site Lattice and Large Angle Grain Boundaries,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,大角度晶界HREM像(CSL),,晶界與晶粒取向差

5、的關(guān)系,,純鋁晶界與晶粒取向差的關(guān)系,計(jì)算值 實(shí)驗(yàn)值,晶界強(qiáng)化,Grain Boundary StrengtheningHall-Petch公式: ts= to + kd-1/2 ss= so + kd-1/2,晶界前位錯(cuò)塞積群數(shù)目 n ∝{ (t-to)×d}/(b×G)領(lǐng)先位錯(cuò)處的應(yīng)力場(chǎng) t(r) ∝ n× (t-to) = {(t-to) 2

6、15;d}/(b×G)在相鄰晶粒位錯(cuò)源S2處的分切應(yīng)力t(r)=f(r)×t(r) = {f(r)×(t-to)2×d}/(b×G)當(dāng)t(r)≥ t*時(shí), (t*為位錯(cuò)源S2開動(dòng)的臨界應(yīng)力),S2開動(dòng),相鄰晶粒發(fā)生塑性變形,即材料整體開始屈服,此時(shí)的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)= t* ?

7、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,晶界前位錯(cuò)塞積群數(shù)目 n ∝{ (t-to)×d}/(b×G)領(lǐng)先位錯(cuò)處的應(yīng)力場(chǎng) t(r) ∝ n× (t-to) = {(t-to) 2×d}/(

8、b×G)在相鄰晶粒位錯(cuò)源S2處的分切應(yīng)力 t(r)=f(r)×t(r) = {f(r)×(t-to)2×d}/(b×G)當(dāng)t(r)≥ t*時(shí),(t*為位錯(cuò)源S2開動(dòng)的臨界應(yīng)力),S2開動(dòng),相鄰晶粒發(fā)生塑性變形,即材料整體開始屈服,此時(shí)的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)= t*

9、?ts= to + [t* f (r) bG] (-1/2) ×d(-1/2)= to + kd(-1/2),,,晶界的性質(zhì):晶界的高能量,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的不可逾越的障礙:Hall-Petch關(guān)系、細(xì)化晶粒同時(shí)提高金屬材料常溫強(qiáng)度、塑性與韌性的唯一方法;原子擴(kuò)散的快速通道:固態(tài)相變形核之場(chǎng)所:溶質(zhì)原子平衡偏聚的場(chǎng)所:晶界偏聚對(duì)材料物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響。降低晶界能:晶界結(jié)合力提高:晶界結(jié)合力

10、降低或變脆:腐蝕、氧化、熔化等自晶界開始:高溫變形之薄弱環(huán)節(jié):晶界滑動(dòng)、晶界遷移晶粒易長(zhǎng)大,,,晶界的運(yùn)動(dòng)(遷移),Migration of Grain Boundaries,晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力,相鄰晶粒內(nèi)能差 ?晶界自由能差:小晶粒縮小消失、大晶粒長(zhǎng)大 ?應(yīng)變能差:高應(yīng)變晶粒縮小消失、低應(yīng)變晶粒長(zhǎng)大,,,,,,,,,,,,,,,,,,s,s,表面自由能:表面曲率引起的晶粒內(nèi)部附加壓力2s sin(dq/2) = DP

11、 R dq ? DP = s/R,由于表面自由能的驅(qū)動(dòng):小晶??s小、大晶粒長(zhǎng)大,?正曲率晶??s小、負(fù)曲率晶粒長(zhǎng)大?小晶??s小、大晶粒長(zhǎng)大(馬太效應(yīng)),,,,,,,,,影響晶界遷移運(yùn)動(dòng)的因素,溫度: D=Do×exp(-Q/kT)晶界能: 小角度晶界、低能晶界晶粒內(nèi)晶體缺陷密度及均勻性:晶界元素偏析情況晶界第二相:晶界結(jié)構(gòu)(鋸齒狀晶界、彎曲晶界等)晶體性質(zhì)(晶體結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、原子間結(jié)合力、層錯(cuò)能等),,相界面Int

12、erfaces between Phases,共格界面-Coherent Interface?形成條件:1)兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近2)某些晶面原子排列歸律相同、原子間距相近,b,a,共格界面-Coherent Interface ?特點(diǎn):界面能很低!但應(yīng)變能較高!,a,b,,,,,孿晶界:一種理想的共格界面 ?無(wú)應(yīng)變能、界面能即層錯(cuò)能,,沉淀強(qiáng)化:位錯(cuò)切割粒子Precipitation Strengthenin

13、g: Particle-Cutting,強(qiáng)化效果取決于粒子的本性!,沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系:Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles,,由于其極低的界面能,利用共格粒子沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化高溫結(jié)構(gòu)材料的主要途徑之一:例如鎳基高溫合金 g’ (Ni3Al)/g-Ni,,非共格界面-Non-Coherent Interface

14、?特點(diǎn):界面能很高!應(yīng)變能很低!,,彌散強(qiáng)化:位錯(cuò)繞過(guò)粒子Dispersion Hardening: Particle-bypassing,?強(qiáng)化效果只取決于粒子的尺寸d(粒子間距)!與粒子本性無(wú)關(guān)!,t = Gb2/d,,,,,,位錯(cuò)的線張力 T=Gb2/2,t = Gb2/2R,Dispersion Strengthening,,,,,Particle Size (d),Yield Strength (t),,,沉淀析出第二相粒子

15、的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系:Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles,,半共格界面—Semi-coherent Interface?特點(diǎn):介于共格與非共格之間界面之間!,,,,,,第二相界面結(jié)構(gòu)與相生長(zhǎng)形態(tài),界面共格:界面能很低、應(yīng)變能很高 ?碟狀、片狀、針狀:比表面積最大、應(yīng)變能最低!界面非共格:界面能很高、應(yīng)變能很低 ?球狀:比

16、表面積最小,表面能最低!半共格界面:界與上述兩者之間,潤(rùn)濕性(界面結(jié)構(gòu))與第二相生長(zhǎng)形態(tài),非共格???共格,提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法(高溫金屬材料強(qiáng)化方法)?高溫變形: 晶界遷移、晶界滑動(dòng)?蠕變(Creep),,,提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法(高溫金屬材料強(qiáng)化方法)?降低原子擴(kuò)散速率?阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與交滑移?阻礙晶界滑移與遷移?阻礙晶粒長(zhǎng)大,Service Conditions of Turbine Bla

17、des and Vanes in a Jet Engine,,Turbofan GP7000 for Airbus 380,,Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines,,提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法,基體材料:高熔點(diǎn)金屬; 高原子間結(jié)合力材料 (金屬間化合物等):致密的晶體結(jié)構(gòu)(FCC、HCP、TCP)、低的層錯(cuò)能合金元素:加入高熔點(diǎn)、難擴(kuò)散合金元素固

18、溶強(qiáng)化低界面能共格粒子沉淀強(qiáng)化(粒子長(zhǎng)大區(qū)動(dòng)力?。└叻€(wěn)定性粒子彌散強(qiáng)化:ODS晶界強(qiáng)化:阻止晶界滑動(dòng):晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶界、彎曲晶界等微合金化降低晶界能(填充晶界空位):降低晶界移動(dòng)性、阻止晶界遷移減少晶界(粗晶粒); 消除橫向晶界:定向凝固柱狀晶合金消除全部晶界:?jiǎn)尉Ш辖?由于其極低的界面能,利用共格粒子沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化高溫結(jié)構(gòu)材料的主要途徑之一:例如鎳基高溫合金 g’ (Ni3Al)/g-Ni,

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