金属材料晶界工程研究进展（一）

陈善华1,吴　杰1,管登高1,邹丛沛2,邱绍宇2

(1.成都理工大学材料与化学化工学院,四川成都　610059;

2.中国核动力研究设计院核燃料及材料国家重点实验室,四川成都　610041)

摘  要:利用晶界工程技术能够显著提高金属材料的力学、化学及磁学性能,因此,晶界工程已成为金属材料研究的一个重要领域。本文对晶界工程的基本理论进行了介绍,在此基础上综述了近年来这一研究领域的发展概况,并提出了未来的进一步研究方向。

关键词:晶界工程;晶界特征分布;重合位置点阵;形变热处理工艺

1　引言

多晶体金属材料是材料科学的主要研究对象之一,其晶界结构与性质强烈地影响着晶界迁动、溶质原子在晶界的偏聚等现象以及材料的力学和物理性能等。因此,研究晶界与材料性能的关系,从而通过晶界控制和设计来改进材料性能已成为材料科学研究的一个重要领域。1984年Watanabe[1]首次提出了“晶界设计与控制”思想,指出采用适当工艺可以增加多晶体中重合位置点阵(CoincidenceSiteLattice,CSL)晶界的数量,从而提高材料的强韧性能。1995年Lin等人[2]第一次通过实验研究评估了“晶界设计和控制”对块体材料抗晶间腐蚀性能的影响,并进一步把它发展为晶界工程(GrainBoundaryEngineering,GBE)。后来,Randle[3,4]在前人研究基础上提出了Σ3再生模型以及与孪生相关的晶界工程理论,成功地解释了材料中大量Σ3晶界的产生原因,并说明了晶界工程中晶界结构的演变机制。近年来,晶界工程理论也已在提高不锈钢、镍基合金等许多金属材料性能方面得到了成功应用。本文将对晶界工程的基本理论及其国内外最新研究成果进行综述和评价。

2　晶界结构

晶界结构的一般几何模型包括重合位置点阵(CSL)模型、O点阵、DSC点阵、结构单元模型和多面体单元模型等,但应用最广的仍为重合位置点阵模型。在CSL模型中,由不同取向晶体中某些位置相互重合的原子组成一个新点阵,即CSL点阵,并用CSL单胞体积与晶体点阵单胞体积的比Σ来表示其数值。Σ越大,CSL密度越小。当晶界能量较高时,重合位置点阵晶界上的原子可能不严格占据规定的几何位置,而是具有能量自发降低的趋势,使晶界原子发生刚性松弛。一般把具有特殊性能的晶界称为特殊晶界,它必须至少满足两个条件:①界面为Σ≤29的CSL晶界[5];②重合位置点阵模型准则[6]:取向差θ的最大偏离量Δθ应满足Brandon标准,即Δθ≤15°Σ-1/2,或者Palumbo2Aust标准,即Δθ≤15°Σ-5/6。而Σ>29的CSL晶界和非CSL晶界则称为一般晶界[5]。Σ1(指Σ=1,下同)小角度特殊晶界具有较低能量和迁移率,Σ3晶界包括共格、非共格孪晶以及不对称的倾转、扭转和不规则界面等,而退火孪晶则属于具有Σ3CSL晶界结构的“共格孪晶”[3-4]。在晶界迁移过程中,当三条晶界在同一结点相遇时,会发生3个晶界之间的聚合2分解作用,形成3条非特殊晶界、2条非特殊晶界和一条特殊晶界、1条非特殊晶界和2条特殊晶界以及3条特殊晶界等4种晶界形态。一般把含有2条或3条特殊晶界的三结点称为特殊三结点[7]。

3　与孪生有关的晶界工程理论

通常,晶界工程是通过形变热处理工艺(ThermomechanicalProcessing,TMP)实现的。在形变过程中,低层错能冷变形多晶材料中的位错难以发生交滑移,从而增大了滑移变形难度,同时可降低孪晶界的界面能,促使材料在位错移动之前产生孪晶变形,所以低层错能多晶材料易于产生形变孪晶。这种孪晶的存在也能进一步阻止位错滑移,于是在晶体中产生较大的应变能,为后续热处理过程中晶界的选择性迁移提供了驱动力[3]。在再结晶退火过程中,晶界会发生重新取向,从而形成Σ3孪晶界,促进位错的吸收和移动。根据Σ3再生模型(图1)[4],在晶界移动过程中,Σ3n与Σ3n+1(n为正整数)晶界相遇时,可能发生下列反应:

Σ3n+Σ3n+1→Σ3(1)

Σ3n+Σ3n+1→Σ3n+2(2)

Randle[4]认为,Σ3n与Σ3n+1晶界之间的反应为(1)式而不是(2)式。这是因为按(1)式产生的Σ3非共格孪晶比按(2)式产生的Σ3n+2晶界能更低,而且具有更大的迁移率,促使Σ3晶界优先形成。Lin等人[8]的研究结果表明,形变热处理材料中Σ3晶界在特殊晶界中的体积分数均超过50%(最高可达84%),这一现象就是由于Σ3再生机制所产生的。

图1　Σ3再生模型示意图[4]

(a)左边晶粒中的Σ3共格孪晶与右边晶粒碰撞产生可移动晶界(箭头所示);(b)可移动晶界继续运动到右边晶粒中的Σ3共格孪晶处,在A点形成Σ3-Σ3-Σ9三节点形态;(c)比Σ3共格孪晶界更易于移动的Σ9晶界继续运动,直至与第二个Σ3共格孪晶相遇,在B点形成新的Σ3-Σ3-Σ9三节点形态。但是右边的新Σ3孪晶界是非共格的,因而具有更大的移动性。获得足够驱动力或者与其它晶界相遇时,该Σ3非共格孪晶界将会继续运动。

多晶材料中同类晶界的连通性(Connectivity)[6]是决定晶界输运性质的关键因素,控制着与输运有关的晶界性质,尤其是晶间裂纹的扩展。随着形变和退火次数增加,特殊晶界的体积分数不断增加,使晶界网络结构发生很大变化。根据Lin等人[8]的研究,当Σ3晶界比例超过40%后,Σ3n(1≤n≤3)晶界之间的相互作用会显著影响材料的最终晶界结构,当孪晶比例逐渐接近6617%时,特殊晶界几乎全部为Σ3,从而形成具有很高特殊CSL晶界体积分数的晶界特性统计分布(GrainBoundaryCharacteristicDistribution,GBCD)。新的CSL晶界结构破坏了原有晶界网络连通性[9],使原来相互连接的一般晶界路径被Σ3n(1≤n≤3)特殊晶界和特殊三结点所中断,于是裂纹就被特殊晶界和特殊三结点所拦截,因而不能继续扩展,使材料性能得到提高。

上述理论分析表明,晶界工程就是通过形变热处理工艺使晶界有选择性地迁移,并发生相互作用,产生大量特殊晶界,从而改变晶界的结构及其分布,最终提高材料性能的一种工艺方法。

4　实现晶界工程的途径

通常,实现晶界工程的形变热处理工艺由变形和退火两个步骤组成。需要控制的工艺参数包括变形量、退火温度和退火时间等。通过对材料进行轧制等变形加工不仅可以使材料的晶粒得到细化,而且也有利于在随后的退火过程中形成特殊晶界[4]。表1总结了文献中报道的晶界工程形变热处理工艺。

　　(1)反复再结晶　即对材料先后进行20%～30%的形变和再结晶退火,并多次重复该过程的处理工艺。再结晶退火时间一般不超过20min。

(2)单步再结晶　即对材料进行50%～70%的中等变形后,在较高温度下进行1～2min短时退火。

　　(3)反复应变退火　即对材料进行2%～6%的较小变形后,在较高温度进行几分钟的短时退火,并多次重复该过程;或者对材料进行较小变形后,在低温下多次进行1～20h较长时间的退火处理。由于变形量小,在退火过程中不足以提供再结晶所需驱动力,材料不会发生再结晶,因而该工艺实质上是一种回复过程。

(4)单步应变退火　即对材料进行6%～8%的小变形或者仅利用材料中的残余应变作为退火过程中的驱动力,在较低温度下进行数十小时退火。

采用这些工艺都能够提高晶界移动性,促使特殊CSL晶界的形成,并最终达到提高材料性能的目的。可见,不同变形量的形变和随后的不同热处理工艺的复合运用就是晶界工程的实现途径。

[1]  [2]