【材科基干货】第28期：多晶体的塑性变形与细晶强化

上一期我们讲解了单晶体的塑性变形，本期将继续对上海交通大学版《材料科学基础》第5章内容：材料的形变和再结晶，多晶体的塑性变形进行讲解。

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。

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σy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。

05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。

 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。

06重要思考题

当晶粒细化到一定程度时，霍尔佩奇公式还是否适用？ 

07易错题分享

平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的a-Fe的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa，问平均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少？

上期答案

沿密排六方单晶体的[0001]方向分别加拉伸力和压缩力。说明在这两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式。

【解析】

密排六方金属的滑移面为（0001），而[0001]方向的力在滑移面上的分切应力为零，故单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，在弹性形变后，可能有孪生。

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