晶界工程对面心立方金属材料性能的影响

周向东，高 鑫，2，3＊，浦海涌，郑晓飞

（1. 北京科技大学，北京 100083；2. 北京有色金属研究总院，北京 100088；3. 无锡隆达金属材料有限公司，江苏 无锡 214104）

决定晶体结构的材料性能变化是通过分析晶界结构对晶界的扩散、氧化、腐蚀、析出以及位错钉扎等[1,2]。自晶界工程理论一经提出以来，就受到各界人士的关注，通过提高特殊晶界的分布情况与特征，将其应用到各个工业领域当中，并获取了显著的研究成果。在多面体金属材料中，晶界处通常存在畸变、气孔、微裂纹以及杂志等缺陷，由于其表面活性比晶粒内部要高，许多传统金属材料的失效，在很大程度上是由于晶界处的失效导致的。因此，在理论上来说，改变金属材料性能可以从显微组织和晶界结构两个方面入手，而在有限的金属冶炼范围内，通过晶界结构的优化形式，改善金属材料的综合性能，为研究者们提供了一个崭新的研究方向。

1 对室温力学性能的影响

卓振[3]分析GBE处理后低ΣCSL晶界比例显著提高改善了316L不锈钢的室温拉伸力学性能。通过专业学者进行分析以后，得出晶体的GBE样品，可以有效提高伸长效率，并会随着晶界变速的降低而降低。

在进行样品均匀伸长率的分析时，会发现GBE样品与Non-GBE样品差值会出现逐步增大的现象，这就表明，在应变速率一定的条件下，GBE对于塑料的性能改变更加明显。

在对两种晶体进行分析时，GBE样品的高比例要低于ΣCSL样品对晶界位错的阻碍作用相对弱，在错位现象当中更加容易出现孪晶界；Schmid因子和Taylor因子的分布表明，在GBE样品当中，进行均匀塑性变形过程当中，滑移系统更加容易开动；GBE样品和Non-GBE样品的断裂机制均为微孔聚集型断裂，在晶界的GBE样品中，韧窝密度会相对更大些，并且，分布情况也较为均匀Sun等人[4]研究了具有相同尺寸的晶界晶粒为600nm，但晶界特征分布各异的纯Al试样的拉伸力学行为，结果表明，应力-应变曲线的三个样本中，差异是由不同的，因此证明了晶界工程可以控制晶界特征分布，从而可以提高纯铝纳米晶体的低延性金属材料。候亚庆[5]研究发现经过晶界工程优化的Incoloy800H合金的力学性能相对于母材得到了提高：抗拉强度提高了6.7%，延伸率提高了11.3%。

2 对高温力学性能的影响

卓振[3]对316L进行900℃高温产生变形时，GBE样品中的晶粒变形程度较大，同时产生动态的结晶驱动能力也相对较大，在高温拉伸过程当中，晶体的动它发生变化情况较早，从而可以降低晶体变形过程当中所产生的位错赛积，与应力梯度。

在动态结晶的形成的新型结晶颗粒，其表现较为明显，且高斯组织结构取得足够的高温变形过程的进一步发展，新型的晶离子因子较大，为软取向，更有利于晶体塑性的变形。Krupp等人[6]对IN718合金的研究表明，在组织当中的特殊晶界，先对比例有所提高，可以使高温晶界产生氧化，导致其晶体颗粒产生裂纹，并使扩散程度降低，晶界晶体的产生过程时间拉长。

同时，在进行镍基合金晶界结构控制时，也使IN718合金抗“动态脆化”的能力得以提高。

3 对高温析出行为的影响

王小艳[7]研究HastelloyX合金晶界特征分布发现经850℃时效处理，在HX合金当中进行分析，得出在此合金当中，主要为均匀有序的分布在集体的针状M6C碳化物，并且沿着晶界面析出较大颗粒μ相。

随着时效的增长，所析出的晶体发生粗化现象，晶界工程进行样品处理后，内部析出品相较为均匀的晶体，被粗大μ相附着的晶界数目减少。

4 对高温氧化性能的影响

王小艳[7]研究认为，晶界内发生的氧化与晶界能量产生的大小有关，晶界能量的高低，不能单纯的只用晶界结构的特殊标准进行判定，要以小角度的晶界与Σ3晶界的最低能量，采用小角度晶界，在氧化环境中，具有极强的抗氧化能力。虽然在但Σ5和Σ9晶界虽然属于特殊晶界，易燃会面临被氧化的情况，因此，高能的随机晶界，被空气氧化的可能性非常高。

5 对高温蠕变性能的影响

S.Spigarelli等人[8]进行研究，表明晶界工程的有效处理方式，可以提高入蠕变强度，在923K下，高比例特殊晶界的304不锈钢比原材料的最小蠕变速率要低2个数量级。候亚庆[5]研究发现在600℃/250MPa条件下，蠕变寿命从251.9h提高到405.8h，稳态蠕变速率由1.84×10-7s-1减小到1.55×10-7s-1。

6 对热腐蚀行为的影响

K.Deepak等 人[9]通 过 在1273K（75%Na2SO4+20%NaCl+5%V2O5）盐溶液中浸泡24小时，研究了晶界工程（GBE）对617合金高温热腐蚀行为的影响，整个横截面上的热腐蚀和合金元素的贫化/偏析。

GBE试样的热腐蚀和合金元素的贫化/偏析明显减少。这是由于在随机HAGBs网络中，3ΣCSL三重结的高比例破坏了渗流。

7 结论

在已有的研究成果和理论当中，很多研究所得到的参数和理论多基于在一种材料或一种研究方法，晶界设计和控制的影响因素非常复杂，如何提高面心金属材料低ΣCSL晶界比例的基础上控制不利因素的产生，还需要总结和更深入的研究。

通过晶界工程优化可以提高特殊晶界比例和优化晶界特征分布，这对材料的室温力学性能、高温力学性能、髙温析出行为、髙温氧化性能、髙温蠕变性能以及热腐蚀行为的影响均有显著的提高，应用前景十分广泛。晶界结构和晶界能是特殊晶界对面心立方金属材料的力学性能影响机理的两种研究方法，二者之间的相互结合也是今后的一个研究趋势。