晶界强化

冶金术语

晶界对屈服强度的影响不只来自晶界本身，而且与晶界连接的两个晶粒的过渡区有关，即位错运动的障碍。在相同体积内，晶粒越细小，即晶粒数越多，相对来说晶界所占的体积就越大，金属强度也就越高。

简介

晶界强化的本质在于晶界对位错运动的阻碍作用，晶粒越细小，晶界越多，阻碍作用也越大，强化的效果越好。晶粒越细小，晶界越多，晶界可以把塑性变形限定在一定范围内，使塑性变形均匀化，因此细化晶粒可以提高钢的塑性。晶界又是裂纹扩展的阻碍，所以晶粒细化可以改善钢的韧性，晶界强化是唯一能在提高钢强度的同时，不损害其韧性的方法。

在高温下形变时晶界表现为薄弱环节，呈沿晶破断特征。晶界区原子排列不规则，且存在各种晶体缺陷（如位错、空位等）。在低温形变条件下，晶界基本不参与形变，可以阻碍晶内位错的运动，起强化作用。但随着温度的升高，晶界强度迅速下降，在某一温度区间内晶界强度与晶内强度大致相当，当温度继续升高。晶界强度就比晶内强度低，该温度即是等强温度（T等强）。等强温度与应变速率有关，应变速率愈慢，等强温度愈低。由于高温合金多在等强温度区或更高温度下使用，所以晶界强化是高温合金的基本问题。

添加元素

合金中应避免含有使晶界弱化的杂质元素．而应含有能有效强化晶界的微量元素。合金中加入微量的B、Zr、Hf、碱土金属（Ca、Mg、Ba）以及稀土元素可显著地消除有害气体和杂质元素的作用，强化晶界。

碱土金属和稀土元素的作用：这类金属的化学活性高，与氧的亲和力强，可以在合金的冶炼过程中起良好的脱氧去气作用。显著地改善合金的晶界结构，起到强化晶界作用。

硼的作用：硼是高温合金常用的晶界强化元素。硼的原子半径略大于碳，能组成间隙固溶体的趋势。硼在合金中的作用主要是在晶界偏聚造成局部合金化，显著地改变了晶界状态，降低了元素在晶界上的扩散过程而强化了晶界。硼还能影响合金中碳化物或一些金属问化合物的析出，改善晶界上碳化物的密集不均匀状态．因而对合金的热强性有利。但过量的硼能形成低熔点共晶产物，其不利作用类似形成低熔点共晶的杂质。

多晶材料的晶界强化机制

多晶的强化与结构因素

实验现象：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料，试验发现，多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体，如下图（a）所示。同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高，如下图（b）所示。

原因解释：晶体的屈服强度是使晶体开始发生滑移的最小分切应力的外在反映，屈服强度高，说明晶体中位错滑移的启动较困难。多晶体中不同位向的晶粒之间存在着晶界，晶界以及晶界两侧晶粒的位向差，都会增加位错运动的阻力。这种阻力主要来自两个方面，其一，晶粒位向不一致造成的阻力。对于一定取向的力轴，不同晶粒不可能都处于滑移的最有利取向上；同时各个晶粒不同滑移系中最有利取向的滑移系的取向因子，也不可能都是最大值；加之各个晶粒之间的相互制约，使得它不能在最有利方向上变形，使滑移阻力增加。其二，晶界本身的阻力。与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。

晶界强化机制

晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。在变形晶体滑移面上的位错，往往成列地塞积在晶界或亚一晶界前，形成位错塞积群。在杂质、第二相颗粒或不动位错之前也会发生位错塞积现象。位错塞积群是位错在运动中遇到阻碍，外力又不足以克服阻碍时形成的。位错在晶界附近的塞积情况如下图所示：

A晶粒和B晶粒的滑移系统分别是OP、PN，相交于晶界的P处，它们的位向差为θ，O是A晶粒的外力作用点。为方便起见，假定O在晶粒中心，可看做是滑移系OP上的位错源。当外力在滑移系上的分切应力τ达到晶粒本身的临界分切应力τ临界时，位错源开动，放出位错。前面的位错遇到晶界的阻碍，停止于P处，其应力场对后来的位错产生排斥力，使之依次停止在某个平衡位置上而形成位错塞积群。其中位错的分布情况是：离晶界越远（即离位错源O处越近）的位错间的距离越大。

停止于晶界前边的位错，对晶界产生一个作用力，同时晶界也会对位错施以反作用力，使P点处产生很大的应力集中。只有此处的应力τp足以克服晶界和两晶粒位向差造成的阻力时，位错才能通过晶界，A晶粒才会继续变形。

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