晶界工程對面心立方金屬材料性能的影響

周向東，高 鑫，2，3＊，浦海涌，鄭曉飛

（1. 北京科技大學，北京 100083；2. 北京有色金屬研究總院，北京 100088；3. 無錫隆達金屬材料有限公司，江蘇 無錫 214104）

決定晶體結構的材料性能變化是通過分析晶界結構對晶界的擴散、氧化、腐蝕、析出以及位錯釘扎等[1,2]。自晶界工程理論一經提出以來，就受到各界人士的關注，通過提高特殊晶界的分布情況與特征，將其應用到各個工業領域當中，并獲取了顯著的研究成果。在多面體金屬材料中，晶界處通常存在畸變、氣孔、微裂紋以及雜志等缺陷，由于其表面活性比晶粒內部要高，許多傳統金屬材料的失效，在很大程度上是由于晶界處的失效導致的。因此，在理論上來說，改變金屬材料性能可以從顯微組織和晶界結構兩個方面入手，而在有限的金屬冶煉范圍內，通過晶界結構的優化形式，改善金屬材料的綜合性能，為研究者們提供了一個嶄新的研究方向。

1 對室溫力學性能的影響

卓振[3]分析GBE處理后低ΣCSL晶界比例顯著提高改善了316L不銹鋼的室溫拉伸力學性能。通過專業學者進行分析以后，得出晶體的GBE樣品，可以有效提高伸長效率，并會隨著晶界變速的降低而降低。

在進行樣品均勻伸長率的分析時，會發現GBE樣品與Non-GBE樣品差值會出現逐步增大的現象，這就表明，在應變速率一定的條件下，GBE對于塑料的性能改變更加明顯。

在對兩種晶體進行分析時，GBE樣品的高比例要低于ΣCSL樣品對晶界位錯的阻礙作用相對弱，在錯位現象當中更加容易出現孿晶界；Schmid因子和Taylor因子的分布表明，在GBE樣品當中，進行均勻塑性變形過程當中，滑移系統更加容易開動；GBE樣品和Non-GBE樣品的斷裂機制均為微孔聚集型斷裂，在晶界的GBE樣品中，韌窩密度會相對更大些，并且，分布情況也較為均勻Sun等人[4]研究了具有相同尺寸的晶界晶粒為600nm，但晶界特征分布各異的純Al試樣的拉伸力學行為，結果表明，應力-應變曲線的三個樣本中，差異是由不同的，因此證明了晶界工程可以控制晶界特征分布，從而可以提高純鋁納米晶體的低延性金屬材料。候亞慶[5]研究發現經過晶界工程優化的Incoloy800H合金的力學性能相對于母材得到了提高：抗拉強度提高了6.7%，延伸率提高了11.3%。

2 對高溫力學性能的影響

卓振[3]對316L進行900℃高溫產生變形時，GBE樣品中的晶粒變形程度較大，同時產生動態的結晶驅動能力也相對較大，在高溫拉伸過程當中，晶體的動它發生變化情況較早，從而可以降低晶體變形過程當中所產生的位錯賽積，與應力梯度。

在動態結晶的形成的新型結晶顆粒，其表現較為明顯，且高斯組織結構取得足夠的高溫變形過程的進一步發展，新型的晶離子因子較大，為軟取向，更有利于晶體塑性的變形。Krupp等人[6]對IN718合金的研究表明，在組織當中的特殊晶界，先對比例有所提高，可以使高溫晶界產生氧化，導致其晶體顆粒產生裂紋，并使擴散程度降低，晶界晶體的產生過程時間拉長。

同時，在進行鎳基合金晶界結構控制時，也使IN718合金抗“動態脆化”的能力得以提高。

3 對高溫析出行為的影響

王小艷[7]研究HastelloyX合金晶界特征分布發現經850℃時效處理，在HX合金當中進行分析，得出在此合金當中，主要為均勻有序的分布在集體的針狀M6C碳化物，并且沿著晶界面析出較大顆粒μ相。

隨著時效的增長，所析出的晶體發生粗化現象，晶界工程進行樣品處理后，內部析出品相較為均勻的晶體，被粗大μ相附著的晶界數目減少。

4 對高溫氧化性能的影響

王小艷[7]研究認為，晶界內發生的氧化與晶界能量產生的大小有關，晶界能量的高低，不能單純的只用晶界結構的特殊標準進行判定，要以小角度的晶界與Σ3晶界的最低能量，采用小角度晶界，在氧化環境中，具有極強的抗氧化能力。雖然在但Σ5和Σ9晶界雖然屬于特殊晶界，易燃會面臨被氧化的情況，因此，高能的隨機晶界，被空氣氧化的可能性非常高。

5 對高溫蠕變性能的影響

S.Spigarelli等人[8]進行研究，表明晶界工程的有效處理方式，可以提高入蠕變強度，在923K下，高比例特殊晶界的304不銹鋼比原材料的最小蠕變速率要低2個數量級。候亞慶[5]研究發現在600℃/250MPa條件下，蠕變壽命從251.9h提高到405.8h，穩態蠕變速率由1.84×10-7s-1減小到1.55×10-7s-1。

6 對熱腐蝕行為的影響

K.Deepak等 人[9]通 過 在1273K（75%Na2SO4+20%NaCl+5%V2O5）鹽溶液中浸泡24小時，研究了晶界工程（GBE）對617合金高溫熱腐蝕行為的影響，整個橫截面上的熱腐蝕和合金元素的貧化/偏析。

GBE試樣的熱腐蝕和合金元素的貧化/偏析明顯減少。這是由于在隨機HAGBs網絡中，3ΣCSL三重結的高比例破壞了滲流。

7 結論

在已有的研究成果和理論當中，很多研究所得到的參數和理論多基于在一種材料或一種研究方法，晶界設計和控制的影響因素非常復雜，如何提高面心金屬材料低ΣCSL晶界比例的基礎上控制不利因素的產生，還需要總結和更深入的研究。

通過晶界工程優化可以提高特殊晶界比例和優化晶界特征分布，這對材料的室溫力學性能、高溫力學性能、髙溫析出行為、髙溫氧化性能、髙溫蠕變性能以及熱腐蝕行為的影響均有顯著的提高，應用前景十分廣泛。晶界結構和晶界能是特殊晶界對面心立方金屬材料的力學性能影響機理的兩種研究方法，二者之間的相互結合也是今后的一個研究趨勢。