金属材料晶界特征分布(GBCD)优化研究进展

第３６卷２００７年

第８期８月

ＲＡＲＥ

稀有金属材料与工程

ＭＥＴＡＬ～Ｌ盯ＥＲｎＬＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．３６．Ｎｏ．８ＡｕｇＩｌｓｔ２００７

金属材料晶界特征分布（ＧＢＣＤ）优化研究进展

方晓英１，一，王卫国１，周邦新２

（１．山东理工大学，山东淄博２５５０４９）

（２．上海大学，上海２０００７２）

摘要：总结了基于退火孪晶的金属材料晶界特征分布（ＧＢＣＤ）优化研究进展，并重点讨论了退火孪晶诱发ＧＢＣＤ

优化的“∑３再激发”模型、“高∑．ｃｓＬ晶界分解反应”模型和“非共格∑３晶界迁移与反应”模型。指出“非共格∑３晶界的迁移与反应”应是基于退火孪晶的中低层错能金属材料ＧＢＣＤ优化的微观机制；成因及其在ＧＢｃＤ优化过程中的行为是十分必要的。关键词：金属材料；低∑重位点阵晶界；晶界特征分布中图法分类号：ＴＧｌｌｌ．７

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２—１８５ｘ（２００７）０８．１５００．０５

进一步研究非共格∑３晶界的

晶界特征分布

（ｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ

ｃｈａｒａｃｔｅｒ

１．１

ＧＢＣＤ优化工艺

形变退火是中低层错能面心立方金属材料进行

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，简称ＧＢｃＤ）优化亦称晶界工程（ｇｒａｉｎ

ｂｏｕｎｄａｒｙ

ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，简称ＧＢＥ），意在通过大幅度增

ＧＢｃＤ优化最主要的工艺方法，其工艺路线可简单归纳为４种：其一，小变形（变形量低于１０％）后进行低温（≤０．６％）退火［６￣８ｊ。该工艺由于形变量小，退火温度低，ＧＢｃＤ优化过程主要发生在回复和再结晶初期。另外长时间的低温退火可以通过位错的滑移和攀移，使局部点阵和晶界面取向变动【９】，使∑３”（即＝ｌ，２，３）晶界更接近精确的ｃｓＬ位置，即∑３”晶界通过微调（ｆｉｎｅｔｕｎｉｎｇ）使晶界自由体积更小。其二，中等冷变形（１０％～４０％）后进行高温（≥０．８％）短时（≤

３０

加特殊晶界比例来改善某些多晶材料的性能。目前关于特殊晶界的定义，一种是基于晶界几何特征的，也称“低∑重位点阵（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ

ｓｉｔｅ

ｌａｔｔｉｃｅ，简称ＣＳＬ）

晶界”（∑值≤２９）；另一种是基于晶界性能的，即那些具有低的晶界偏聚行为和良好的耐晶间腐蚀性能的晶界被称为特殊晶界［１Ｊ。一般地说，低∑ＣＳＬ晶界原子排列有序度高和自由体积小的结构特点赋予它具有上述特殊性能【２￣５】，因此，低∑ｃＳＬ晶界和特殊晶界通常被认为是相同的含义但提法不同。

应该指出，在合金中通过大幅度增加低∑ＣＳＬ晶界的比例来改善多晶材料沿晶界失效行为大多是基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化，这一原理只适用于中低层错能面心立方金属如镍基合金、铅合金、奥氏体不锈钢和铜合金等。此外，针对高层错能面心立方金属如铝基合金，还有基于织构的ＧＢＣＤ优化，以及针对某些体心立方金属如高硅的铁硅合金、钼等脆性问题的ＧＢＣＤ优化研究。限于篇幅，本文主要归纳目前国内外研究最多的基于退火孪晶的ＧＢｃＤ优化研究进展，对某些热点问题如退火孪晶诱发ＧＢＣＤ优化的微观机制进行了讨论，寻求ＧＢＣＤ优化研究新的切入点。１

ｍｉｎ）退火［１０，１１］。ＧＢｃＤ优化发生在完全再结晶阶

段，但由于退火时间短，避免了晶粒粗化。例如，对Ｐｂ合金【１１】进行３０％变形后在２７０℃退火８ｍｉｎ，可得到５６％的∑３晶界和９．９％的∑９晶界，晶粒尺寸不大于３０ｕｍ。其三，先进行小的冷变形（６％～７％）后再进行两步退火工艺（低温长时间退火＋高温短时间退

火）【１２】。该工艺成功应用于无氧铜的ＧＢｃＤ优化中，

两步退火使小变形后样品的低∑ＣＳＬ晶界（∑≤２９）的比例由７０％提高到８５％以上。其四，采用多次冷轧和退火处理，每次按第一或第二种工艺处理，一般进行２～７次［１３—７１。该工艺的特点是把总形变量分解到几次形变＋再结晶过程中来完成，这样，变形后合金在短时间退火过程中的晶粒长大被部分或全部抑制了。该工艺在铁基［１６１和镍基奥氏体合金及无氧铜［１５，１８１中得到成功应用，低∑ＣＳＬ晶界比例不低于６０％，晶粒尺寸

基于退火孪晶的金属材料ＧＢＣＤ优化

工艺及进展

收稿日期：２００６—１１．１０

基金项目：国家自然科学基金（５０４７１０２９）

作者简介：方晓英，女，１９７１年生，博士研究生，讲师，山东理工大学机械工程学院金属材料系，山东淄博２５５０４９，电话：０５３３—２７８０６０２

万方数据　

第８期方晓英等：金属材料晶界特征分布（ＧＢｃＤ）优化研究进展

・１５０１．

小于３０

ｕｍ。

ＧＢＣＤ优化后，低∑ｃＳＬ晶界（特殊晶界）的比例可达１．２

ＧＢＣＤ优化研究进展

５７％～９６％，比传统工艺提高了２～７倍。特殊晶界中，在过去的十几年里，人们在镍基合金、铅合金、

退火孪晶界∑３占７０％～８５％，∑９和∑２７可以达到奥氏体不锈钢和铜合金等材料的ＧＢｃＤ优化方面取得１０％以上，而其它低∑ｃＳＬ晶界的比例则很低，一般了重要进展，结果归纳在表１中。这几种材料经过

在５％以下。形变退火过程中形成的∑３孪晶界以及与

表１各类材料ＧＢＣＤ优化工艺参数及获得的结果

旦坠！！！！塾！！！！竺！塑２１ｇ曼竺旦竺￡！！翌垒呈！ｉ！竺塑！∑竺！！竺竺！竺兰！！！！苎！！

！塑！！！！ｉ竖塾！！！竺型丛坠ｉ里旦堡！！！墅

∥％

刀℃

『／ｍｉｎ＂

∑３／％

∑９／％

∑２７／％

∑臻％

Ｎｉ

Ａｓ—ｃａｓｔ６０９５０～１１５０

ｌ～１５１４６．７５．５２．２６６．２【４］

ＳｔｒｉＤ

５９００１０ｌ５０．２

８．１

３．０

６５．Ｏ筋卯

［７，８】

Ｎｉ．Ｃｏ

２５１０２５

１８

４

６３

【１５】Ｐｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ

４７１０７７１¨

【２】

Ｉｎｃｏｎｅｌ６００ｂａｒ２０１０００１５７３４１８６５【１８］Ｉｎｃｏｎｅｌ６９０

５

１１００

５

ｌ

６０．６

９．２

７２．５

【２８］

１１００℃，１５ｍｉｎ＋ＷＯ

３０４

Ｓ０１ｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ一５

９２７

４３２０

１

８５

¨

［６】１０５０℃．０．５ｈＳ０１ｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ一３

９５０

１０

３

５０

５７

如

［１６］

１０５０℃．２

ｈ＋３０％

ｆｏ唱ｉｎｇ＋８５０℃，２ｈ

３０４ＬＰｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ

６３１５［１９］０ｆｅ—Ｃｕ

Ｃｕｂａｒ６７５６０

１０

４４５６８３０

［１５，１８】Ｐｌａｔｅ

６

２７０℃．１４ｈ＋３７５

１

６５

１０

５

８５

［１２］

℃．７ｈ

ＢｒａｓｓＣａｓｔｂｉｌｌｅ什２５％ｈｏｔ２０６８０２０

２７２

５

７９

４２

［１７】ｒｏｌｌｅｄ＋８００℃．１ｈ

Ｐｂ．ｂａｓｅＳｔｒｉｐ

ｃａｓｔ＋９０％ｒｏｌｌｅｄ

３０

２７０

８

１

５６．１

９．９

８０

３０

【１１］ａｌｌｏｙ

＋２７０℃，１５ｍｉｎＳｔｒｉｐｃａｓｔ＋９０％ｒｏｌｌｅｄ

３０

２７０

１０

２

６３．９

１９

６．８

９６．１

６０

［１３】

里１２２１１竺！兰：Ｚ

！竺兰Ｑ！

【！！』

之几何相关的∑９和∑２７等晶界【２ｌ】的生成是ＧＢＣＤ优比一般大角度晶界小得多，从而使该合金在敏化温度化的关键。本文作者［１１Ｊ在对Ｐｂ．Ｃａ．Ｓｎ．Ａｌ合金的ＧＢｃＤ范围内处理后，仍具有良好的抗晶间腐蚀能力。

优化研究中发现，３０％冷变形试样在经过高温（２７０１．３

ＧＢＣＤ优化的判据

℃）短时（８ｍｉｎ）退火后特殊晶界比例可达８０％，从其需要指出的是，某种金属材料是否真正实现了

ＥＢＳＤ晶界重构图上，可清晰地观察到很多弯曲的∑３ＧＢＣＤ优化，仅凭低∑ＣＳＬ晶界的比例来评价往往是晶界，∑９和∑２７等低∑ＣＳＬ晶界均处在由一般大角不充分的。这是因为当高比例的特殊晶界位于晶内而度晶界构成的晶界网络上，有效地阻断了一般大角度并未阻断一般大角度晶界网络时，材料的ＧＢｃＤ就达晶界网络的连通性。目前，大量的实验表明，经过不到优化的效果，对抵抗晶间腐蚀、晶界开裂等晶界ＧＢＣＤ优化的材料，其抗晶问腐蚀能力会显著提高。特性就起不到提高的作用【１５＇２４１。因此，Ｋｕｍａｒ等人［１８】Ｌｉｎ和Ｐａｌｕｍｂｏ等人［２］的实验结果表明，经ＧＢＣＤ优指出，至少需要２条低∑ｃｓＬ（２．ＣＳＬ）晶界构成的三化的Ｉｎｃｏｎｅｌ６００比未进行晶界优化的样品其腐蚀速率叉晶界才能阻断晶界失效现象（如腐蚀、偏聚、开裂降低近３倍。Ｐａｌｕｍｂｏ等人【２２】也曾用经过ＧＢＣＤ优化等）的发生，并指出阻断晶界失效的条件是：．尼ｃ。。／的Ｐｂ．Ｃａ．Ｓｎ合金制成铅酸蓄电池的阳极板栅，其抗晶石１—３ｃｓＬ）≥０．３５，这里．尼ｃｓＬ，。艿ｃｓＬ分别是指２条低∑ＣＳＬ间腐蚀性能显著好于经传统工艺（铸造）制备的阳极板晶界和３条低∑ＣＳＬ晶界构成的三叉晶界在所研究的栅。粗略地估计，用这种经ＧＢＣＤ优化的Ｐｂ—Ｃａ—Ｓｎ晶界网络中占的比例。

合金制作阳极板栅，铅酸蓄电池的充放电循环使用寿但特殊晶界并非在任何使用条件下都表现出特殊命可延长３～４倍。Ｂｉ

Ｈ

Ｙ等人［２３］在研究奥氏体不锈钢

性能。有实验表明，奥氏体不锈钢中∑９晶界虽可抵中发现，Ｃｒ在能量较低的低∑ＣＳＬ晶界附近的贫化要

抗一般晶界腐蚀［６］，但在应力腐蚀条件下，却未表现

万　

方数据

稀有金属材料与工程

第３６卷

出良好的耐蚀性［２５１。可见，只有综合考虑特殊晶界比例，晶界网络结构和晶界特性试验（如晶间腐蚀，应力腐蚀，蠕变强度试验等）的结果才能全面准确地判断材料ＧＢＣＤ优化的效果。

总之，具有中低层错能面心立方结构的金属材料的ＧＢＣＤ优化研究取得了一些重要进展：形变退火工艺是诱发大量低∑ＣｓＬ晶界产生的主要工艺；大量退火孪晶界∑３及其几何关联的∑９和∑２７晶界的形成是ＧＢＣＤ优化的关键；低∑ＣＳＬ晶界比例，一般大角度晶界网络的连通性和晶界弱化试验是ＧＢＣＤ优化与否的综合判据。２

经出现了大量的∑３和部分∑９和∑２７晶界；另外，如果低∑ＣｓＬ晶界是由高∑ＣｓＬ晶界与∑３晶界反应生成，那么优化了的ＧＢＣＤ中各种低∑ＣＳＬ晶界比例应该相近，但几乎所有的实验结果都表明【１６，１。７１，经过优化的ＧＢＣＤ中，９０％以上的特殊晶界是∑３，∑９和∑２７。可见，Ｋｕｍａｒ的观点是很难成立的。其三是Ｗａｎｇｗ等人提出的非共格∑３晶界的迁移与反应模型［１１１。该模型再结晶退火过程中形成大量的弯曲的可迁移的非共格∑３晶界是合金ＧＢＣＤ得到优化的根源。首先，低能的共格∑３晶界是稳定并难以迁移的，此类晶界不可能衍生出大量的∑９和∑２７晶界；其次，在再结晶退火过程中，与基体保持非共格取向关系的∑３优先形核，且高度可动，这种非共格∑３晶界的迁移及彼此相遇可生成∑９或∑ｌ晶晃，同样∑９晶界的迁移也可以和∑３或∑９等晶界相遇而发生反应生成∑２７和∑８１等等，这就可以很好地解释优化了的ＧＢＣＤ中为什么主要存在∑３，∑９和∑２７的实验现象。第三，由于非共格∑３晶界有对称（位于｛１１２）面上）和非对称ｆ＜１１０＞晶带中的２３

１７

１７／７７５，２１ｌ／７４４，

基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化机制的讨论

迄今为止，有关退火孪晶诱发ＧＢＣＤ优化机制有

３种。其一是Ｒａｎｄｌｅ提出的∑３再激发模型（∑３

ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ

ｍｏｄｅｌ）［２６】。该模型假定与共格∑．３晶界相

交的一般大角度晶界优先迁移，与共格∑３相遇，反应出∑９晶界，构成∑３一∑３．∑９的晶界连接网络，可动的∑９晶界继续迁移与另一个共格∑３反应，激发出非共格∑３晶界，该非共格晶界处于一般大角度晶界网络上，阻断了大角度晶界的连通；而且易动的非共格∑３晶界还可继续迁移和其他晶界相遇，反应出低∑ｃｓＬ晶界；如此进行下去实现材料的ＧＢＣＤ优化。该模型强调共格孪晶界∑３对ＧＢＣＤ优化的重要作用，认为非共格孪晶界∑３的生成是由共格孪晶界∑３作用的结果。但在众多的实

验‘１１，１５，２４１中发现，仅出

５２２／４４１等）倾侧晶界之分，而共格∑３晶界仅是位于｛１１１）面上的对称倾侧晶界，在基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化过程中，大量非共格∑３晶界（主要为非对称倾侧晶界１的迁移和反应导致晶粒取向的均匀化，即在ＧＢＣＤ优化了的样品中是不存在织构的，这和王卫国等人的实验结果【１１】完全吻合。第四，在ＧＢＣＤ优化过程中，当∑１小角度晶界消耗殆尽时，就不再有新的∑３晶界形成；这时～般大角度晶界在不受小角度晶界钉扎的情况下开始发生迁移，原有的非共格∑３晶界也在迁移，但由于受一般大角度晶界的“扫除”作用，晶粒一旦开始长大，∑３等特殊晶界的比例就会迅速下降，而一般大角度晶界的比例则快速增加，这也和实验结果相吻合。另外，最近Ｋｉｍ等人口州利用五参数晶界面测定法研究经ＧＢＣＤ优化的黄铜的晶界特征时，也发现∑３晶界中非共格的成分是主要的。综上所述，作者认为非共格∑３晶界的迁移与反应应是基于退火孪晶的金属材料ＧＢＣＤ优化的微观机制。

现平直的共格∑３晶界，合金的ＧＢｃＤ得不到优化，而且，有实验表明‘１１，２７１，中低层错能的面心立方金属材料冷轧变形后在较高温度退火时，会形成大量的非共格∑３晶界，从能量最小准则很难想象，这些高比例的非共格∑３晶界（晶界能为０．１～０．６Ｊｍ。２）是由低能的共格∑３孪晶界（０．０１Ｊｍ。２）之间相互作用所致。相反，

倒是有研究［９峙旨出，非共格∑３孪晶界在长时间的退火

过程中，通过微调（ｆｌｎｅｔｕｎｉｎｇ）可转变为共格∑３晶界。其二是Ｋｕｍｅｒ等人提出的高∑ＣＳＬ晶界分解模型【１５】。即中低层错能面心立方金属材料经过适度形变高温退火后，由于形变诱发晶界迁移（ｓｔｒａｉｎ．ｉｎｄｕｃｅｄｂｏｕｎｄａ巧ｍｉｇｒａｔｉｏｎ．ＳＩＢＭ）产生退火孪晶∑３晶界，这些晶界与高∑ＣＳＬ晶界反应生成大量的低∑ＣＳＬ晶界（如∑５１和∑８１等与∑３晶界相遇反应生成∑１７和∑２７等）从而实现合金的ＧＢＣＤ优化。但几乎所有的实验结果［１１卅３，２８１均表明，一般大角度晶界的比例是随着∑１小角度晶界（形变组织）的大量消失而迅速提高的。在这个过程之前，一般大角度晶界的比例很低，而此时已

３基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化机制是亟

待研究的新课题

３．１

非共格∑３晶界形成的微观机制

既然非共格∑３晶界的迁移和反应是基于退火孪

晶的ＧＢＣＤ优化的微观机制，那么对非共格∑３晶界形成的微观机制进行探讨是十分必要的。非共格∑３晶界按其形成过程分为两种，一种是以形核方式形成的∑３晶界（包括共格和非共格∑３孪晶界）；另一种

万方数据　

第８期方晓英等：金属材料晶界特征分布（ＧＢｃＤ）优化研究进展

・１５０３・

是在晶界迁移过程中，原来就具有∑３取向关系的两３．２

非共格∑３晶界在ＧＢＣＤ优化过程中的行为个晶粒相遇后形成∑３晶界；前一种方式的形成几率当大量非共格∑３晶界一旦形成，高度可动的特

要远远大于后者［３们。针对第一种方式，目前的研究大性使得它们在ＧＢｃＤ优化过程中扮演着最活跃的角都是围绕共格∑３孪晶进行讨论的。提出的３种模型色，即通过非共格∑３晶界的迁移彼此相遇以及它们分别是在晶粒长大过程中出现的“长大事故”（ｇｒｏｗｔｈ之间的反应派生出大量的位于晶界网络上的∑３”晶ａｃｃｉｄｅｎｔ）【”】］、“堆垛错排产生孪晶晶核”（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ

ｏｆ

界，真正实现材料ＧＢＣＤ的优化。研究非共格∑３晶ｔｗｉｎｓｂｖｓｔａｃｋｉｎｇ

ｆａｕｌｔ）［３２］和Ｍａｈａｉａｎ和Ｐａｎｄｅ吲提

界的迁移的行为特性，首先应正确标定非共格∑３晶出的兼容“长大事故”和“堆垛错排产生孪晶晶核”界，尤其是要与共格∑３晶界区分开来。近几年才出两种理论的新模型。尽管这些模型对已观察到的共格现的基于ＥＢｓＤ的单一截面迹线分析法【３５Ｊ和五参数晶退火孪晶的形成做出较为合理的解释，但都未提及非面测定法［３６】使定量确定共格∑３晶界和非共格∑３晶共格∑３孪晶界的成因问题。为了寻找非共格∑３孪晶界的百分比以及各种非共格∑３晶界面的位置测定成界的形成原因，不妨先来分析一下中低层错能金属材为可能；其次是确定非共格∑３晶界的迁移主要受哪料退火前的形变状态。由于该类材料的位错不易交滑些因素的影响。非共格∑３晶界比一般大角度晶界结移和攀移，冷变形过程中很难形成普通的位错胞结构，构的有序度高，自由体积小等特点使得溶质原子在其而是形成所谓的泰勒点阵（ＴＬ）【３４１。该点阵是由平行的上的偏聚能力要远远低于一般大角度晶界，这样因偏间距大体均匀的位错阵列而成，位错排列方向并不是聚造成的溶质原子对晶界的钉扎作用很小。但根据实随机的，而是平行于（１１１）滑移面，其几何必需边界验观察【１１１，非共格∑３晶界往往形成于再结晶初期，（ＧＮＢ）包括高密度位错墙（ＤＤｗ）和显微带（ＭＢ）晶粒细小。根据Ｇｏｔｔｓｔｅｉｎ［３７】提出的无量纲判据

通常为较长的平面结构，也总是接近平行于（１１１）滑移面，在随后的加热回复过程中，这些几何必需边界么＝竺善（肌Ⅳ和脚∞分别为三叉晶界交汇点和晶界

…Ⅳ一

ｍ”

包围的ＴＬ块不易形成锋锐的胞壁，即多边形化较困的迁移率，口为晶粒尺寸），当力《ｌ时，晶界迁移主难，容易发生位错分解扩展。由于ＴＬ块中位错排列要受控于三叉晶界交汇处的运动，此时该判据以很小，具有一定的晶体学取向关系，这样在（ｎ１）面上由于晶界网络结构中的三叉晶界不再单纯是晶界相遇后位错的扩展易发生层错，即可构成初始的孪晶晶核，自发形成的热力学平衡点【３７１，而是直接影响到晶界迁这似乎仍是形成｛１１１｝共格孪晶界，而不是非共格孪晶

移的动力学行为，即对晶界的迁移具有很大的拖曳作界。但若升高中低层错能金属的变形温度（０．３～０．５矗），

用‘３０，３８１。可以说非共格∑３晶界开始迁移时，即有来则形变金属会形成一种ＴＬ和位错胞共存的过渡亚晶自晶界总界面能降低的驱动力，同时也有来自三叉晶结构，即胞壁包围ＴＬ位错，形成类似散漫的位错胞界对其的阻力。当然，同一般大角度晶界一样，非共状结构。此时较长的ＧＮＢ不再是平直的，而是弯曲格∑３晶界的迁移仍会受到第二相、溶质原子、应力的。弯曲的ＧＮＢ在随后的回复过程中，某些平行于分布状态以及晶界面位置等的影响。此外，通过两个基体｛１１１，晶面的部分可能与基体保持∑３共格关系而具有∑３取向的晶粒构成的非共格∑３晶界还会受材成为共格孪晶晶核部位，和其相连的部分因无法保持料织构类型的影响【２７１。既然∑３”之间的反应和大量增共格关系但位错密度又不足以形成一般大角度晶界而殖都是建立在非共格∑３晶界的广泛迁移基础上的，有可能成为非共格孪晶界。这似乎解释了为什么室温那么采用ＯＩＭ（或ＥＢＳＤ）分析方法，ＴＥＭ观察，退火下形变的金属材料（如３０４不锈钢，镍基合金）其退过程中的原位组织观察以及热力学模拟计算等多种技火后的ＧＢＣＤ中的∑３晶界多为平直的共格孪晶界，术相结合的办法来研究非共格∑３晶界的迁移反应彳亍而室温（０．４８％）变形的Ｐｂ基合金退火后出现大量的为及其影响因素应是另一重要的研究课题。弯曲的非共格∑３晶界。但这也仅仅是一种推测，尚４

无直接的实验证据。所以进一步针对非共格∑３晶界结语

的成因问题展开深入的研究是为基于退火孪晶的目前，国外虽在几种中低层错能面心立方金属材ＧＢＣＤ优化研究找到突破口的关键所在。而且，中温形料的ＧＢＣＤ优化工艺研究中取得重要进展，但涉及到变金属的这种过渡亚晶结构对合金含量、温度、形变速的一些基础问题还不十分清楚，进一步研究形变退火率等相当敏感，因此，如何选择适当的合金成分、形变诱发非共格∑３孪晶形成的微观机制和在ＧＢＣＤ优化温度和形变速率以及退火温度和时间等是诱发中低层中的行为是有望取得重要突破的研究方向。

错能金属产生大量非共格∑３孪晶界的关键。

万　

方数据

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［２９］ＫｉｍＣＳ鲥口，．＆ｒ咖胁＾缸地ｒｆ口，ｆ口［Ｊ】，２００５，５２：６３３【３０】ｃｚｕｂａｙｋｏｕｅｆａ，．爿ｃｆ口．＾４白ｆｅｒ［Ｊ】，１９９８，４６（１６）：５８６３［３１】ＧｉｎｄｒａｕｘＧ，Ｆｏｒｎｌ

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【１２】ｗａｙｎｅ【１３】Ｌｅｅ

Ｅ

［３３】Ｍａｈａｊａｎ

［３４】Ｙｕ

Ｓ，Ｐａｎｄｅｃ

Ｓ．彳ｃ细胁招ｒ［Ｊ】，１９９７，４５：２６３３

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ｅ，口，．－％ｒ垂，ｆ口．＾Ｉａ把，ｆａ，ｆ口［Ｊ】，１９９８，３８（３）：４４０

ＳＫ．＾童ａｆｅｒｆｄｂ＿ＳｔｆＰ一ｃＰ口玎ｄ

Ｙｏｎｇｎｉｎｇ（余永宁）．ｎ栩ｃ巾伽矽施胁，，Ｄｇ，印砂（金属学

ＤＳ，ＲｙｏｏＨ

Ｓ，Ｈｗａｎｇ

原理）［Ｍ】．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｍｅｔａｌｌｕ唱ｉｃａｌ

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上＿ｔｇｆ”ｅＰ，由’ｇ彳［Ｊ】，２００３，３６３：３０７

ＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＤｅＶｅｌＯｐｍｅｎｔｓｏｆＧｒａｉｎ

ＢＯｕｎｄａｒｙＣｈａｒａｃｔｅｒ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ＧＢＣＤ）ｏｆ

Ｆａｎｇ

Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ

ＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ

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（１．ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｚｉｂｏ２５５０４９，ｃｈｉｎａ）

（２．ｓｈａｎｇｈａｉＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎ曲ａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ

ｒｅｃｅｎｔ

ｐｒｏｇｒｅｓｓ

ｏｆｔｗｉｎ—ｉｎｄｕｃｅｄｇｒａｉｎ

ｂｏｕｎｄａｒｙ

ｃｈａｒａｃｔｅｒ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ＧＢＣＤ）ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＧＢＣＤｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓ

ｏｆ∑３ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ∑．ＣＳＬｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ∑３ｍｉ卫ｒａｔｉｏｎａｎｄ

ｏｕｔ

Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ

ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ．Ｉｔｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｗｉｎ－ｉｎｄｕｃｅｄＧＢｃＤｏｐｔｊｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｔｊｓｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｌｏｗ－∑ＣＳＬｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ；ｇｆａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ＧＢＣＤ）

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｆａｎｇ

ｘｉａｏｙｉｎｇ，ｃａｎｄｉｄａｔｅｆｏｒＰｈ．Ｄ．，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａＵｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ２５５０４９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｔｅｌ：００８６．５３３．２７８０６０２

万方数据　

金属材料晶界特征分布(GBCD)优化研究进展

作者：作者单位：

方晓英， 王卫国， 周邦新， Fang Xiaoying， Wang Weiguo， Zhou Bangxin

方晓英,Fang Xiaoying(山东理工大学,山东,淄博,255049;上海大学,上海,200072)， 王卫国,Wang Weiguo(山东理工大学,山东,淄博,255049)， 周邦新,Zhou Bangxin(上海大学,上海,200072)

稀有金属材料与工程

RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING2007,36(8)2次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xyjsclygc200708044.aspx

第３６卷２００７年

第８期８月

ＲＡＲＥ

稀有金属材料与工程

ＭＥＴＡＬ～Ｌ盯ＥＲｎＬＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．３６．Ｎｏ．８ＡｕｇＩｌｓｔ２００７

金属材料晶界特征分布（ＧＢＣＤ）优化研究进展

方晓英１，一，王卫国１，周邦新２

（１．山东理工大学，山东淄博２５５０４９）

（２．上海大学，上海２０００７２）

摘要：总结了基于退火孪晶的金属材料晶界特征分布（ＧＢＣＤ）优化研究进展，并重点讨论了退火孪晶诱发ＧＢＣＤ

优化的“∑３再激发”模型、“高∑．ｃｓＬ晶界分解反应”模型和“非共格∑３晶界迁移与反应”模型。指出“非共格∑３晶界的迁移与反应”应是基于退火孪晶的中低层错能金属材料ＧＢＣＤ优化的微观机制；成因及其在ＧＢｃＤ优化过程中的行为是十分必要的。关键词：金属材料；低∑重位点阵晶界；晶界特征分布中图法分类号：ＴＧｌｌｌ．７

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２—１８５ｘ（２００７）０８．１５００．０５

进一步研究非共格∑３晶界的

晶界特征分布

（ｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ

ｃｈａｒａｃｔｅｒ

１．１

ＧＢＣＤ优化工艺

形变退火是中低层错能面心立方金属材料进行

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，简称ＧＢｃＤ）优化亦称晶界工程（ｇｒａｉｎ

ｂｏｕｎｄａｒｙ

ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，简称ＧＢＥ），意在通过大幅度增

ＧＢｃＤ优化最主要的工艺方法，其工艺路线可简单归纳为４种：其一，小变形（变形量低于１０％）后进行低温（≤０．６％）退火［６￣８ｊ。该工艺由于形变量小，退火温度低，ＧＢｃＤ优化过程主要发生在回复和再结晶初期。另外长时间的低温退火可以通过位错的滑移和攀移，使局部点阵和晶界面取向变动【９】，使∑３”（即＝ｌ，２，３）晶界更接近精确的ｃｓＬ位置，即∑３”晶界通过微调（ｆｉｎｅｔｕｎｉｎｇ）使晶界自由体积更小。其二，中等冷变形（１０％～４０％）后进行高温（≥０．８％）短时（≤

３０

加特殊晶界比例来改善某些多晶材料的性能。目前关于特殊晶界的定义，一种是基于晶界几何特征的，也称“低∑重位点阵（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ

ｓｉｔｅ

ｌａｔｔｉｃｅ，简称ＣＳＬ）

晶界”（∑值≤２９）；另一种是基于晶界性能的，即那些具有低的晶界偏聚行为和良好的耐晶间腐蚀性能的晶界被称为特殊晶界［１Ｊ。一般地说，低∑ＣＳＬ晶界原子排列有序度高和自由体积小的结构特点赋予它具有上述特殊性能【２￣５】，因此，低∑ｃＳＬ晶界和特殊晶界通常被认为是相同的含义但提法不同。

应该指出，在合金中通过大幅度增加低∑ＣＳＬ晶界的比例来改善多晶材料沿晶界失效行为大多是基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化，这一原理只适用于中低层错能面心立方金属如镍基合金、铅合金、奥氏体不锈钢和铜合金等。此外，针对高层错能面心立方金属如铝基合金，还有基于织构的ＧＢＣＤ优化，以及针对某些体心立方金属如高硅的铁硅合金、钼等脆性问题的ＧＢＣＤ优化研究。限于篇幅，本文主要归纳目前国内外研究最多的基于退火孪晶的ＧＢｃＤ优化研究进展，对某些热点问题如退火孪晶诱发ＧＢＣＤ优化的微观机制进行了讨论，寻求ＧＢＣＤ优化研究新的切入点。１

ｍｉｎ）退火［１０，１１］。ＧＢｃＤ优化发生在完全再结晶阶

段，但由于退火时间短，避免了晶粒粗化。例如，对Ｐｂ合金【１１】进行３０％变形后在２７０℃退火８ｍｉｎ，可得到５６％的∑３晶界和９．９％的∑９晶界，晶粒尺寸不大于３０ｕｍ。其三，先进行小的冷变形（６％～７％）后再进行两步退火工艺（低温长时间退火＋高温短时间退

火）【１２】。该工艺成功应用于无氧铜的ＧＢｃＤ优化中，

两步退火使小变形后样品的低∑ＣＳＬ晶界（∑≤２９）的比例由７０％提高到８５％以上。其四，采用多次冷轧和退火处理，每次按第一或第二种工艺处理，一般进行２～７次［１３—７１。该工艺的特点是把总形变量分解到几次形变＋再结晶过程中来完成，这样，变形后合金在短时间退火过程中的晶粒长大被部分或全部抑制了。该工艺在铁基［１６１和镍基奥氏体合金及无氧铜［１５，１８１中得到成功应用，低∑ＣＳＬ晶界比例不低于６０％，晶粒尺寸

基于退火孪晶的金属材料ＧＢＣＤ优化

工艺及进展

收稿日期：２００６—１１．１０

基金项目：国家自然科学基金（５０４７１０２９）

作者简介：方晓英，女，１９７１年生，博士研究生，讲师，山东理工大学机械工程学院金属材料系，山东淄博２５５０４９，电话：０５３３—２７８０６０２

万方数据　

第８期方晓英等：金属材料晶界特征分布（ＧＢｃＤ）优化研究进展

・１５０１．

小于３０

ｕｍ。

ＧＢＣＤ优化后，低∑ｃＳＬ晶界（特殊晶界）的比例可达１．２

ＧＢＣＤ优化研究进展

５７％～９６％，比传统工艺提高了２～７倍。特殊晶界中，在过去的十几年里，人们在镍基合金、铅合金、

退火孪晶界∑３占７０％～８５％，∑９和∑２７可以达到奥氏体不锈钢和铜合金等材料的ＧＢｃＤ优化方面取得１０％以上，而其它低∑ｃＳＬ晶界的比例则很低，一般了重要进展，结果归纳在表１中。这几种材料经过

在５％以下。形变退火过程中形成的∑３孪晶界以及与

表１各类材料ＧＢＣＤ优化工艺参数及获得的结果

旦坠！！！！塾！！！！竺！塑２１ｇ曼竺旦竺￡！！翌垒呈！ｉ！竺塑！∑竺！！竺竺！竺兰！！！！苎！！

！塑！！！！ｉ竖塾！！！竺型丛坠ｉ里旦堡！！！墅

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刀℃

『／ｍｉｎ＂

∑３／％

∑９／％

∑２７／％

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Ｎｉ

Ａｓ—ｃａｓｔ６０９５０～１１５０

ｌ～１５１４６．７５．５２．２６６．２【４］

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５９００１０ｌ５０．２

８．１

３．０

６５．Ｏ筋卯

［７，８】

Ｎｉ．Ｃｏ

２５１０２５

１８

４

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【１５】Ｐｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ

４７１０７７１¨

【２】

Ｉｎｃｏｎｅｌ６００ｂａｒ２０１０００１５７３４１８６５【１８］Ｉｎｃｏｎｅｌ６９０

５

１１００

５

ｌ

６０．６

９．２

７２．５

【２８］

１１００℃，１５ｍｉｎ＋ＷＯ

３０４

Ｓ０１ｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ一５

９２７

４３２０

１

８５

¨

［６】１０５０℃．０．５ｈＳ０１ｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ一３

９５０

１０

３

５０

５７

如

［１６］

１０５０℃．２

ｈ＋３０％

ｆｏ唱ｉｎｇ＋８５０℃，２ｈ

３０４ＬＰｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ

６３１５［１９］０ｆｅ—Ｃｕ

Ｃｕｂａｒ６７５６０

１０

４４５６８３０

［１５，１８】Ｐｌａｔｅ

６

２７０℃．１４ｈ＋３７５

１

６５

１０

５

８５

［１２］

℃．７ｈ

ＢｒａｓｓＣａｓｔｂｉｌｌｅ什２５％ｈｏｔ２０６８０２０

２７２

５

７９

４２

［１７】ｒｏｌｌｅｄ＋８００℃．１ｈ

Ｐｂ．ｂａｓｅＳｔｒｉｐ

ｃａｓｔ＋９０％ｒｏｌｌｅｄ

３０

２７０

８

１

５６．１

９．９

８０

３０

【１１］ａｌｌｏｙ

＋２７０℃，１５ｍｉｎＳｔｒｉｐｃａｓｔ＋９０％ｒｏｌｌｅｄ

３０

２７０

１０

２

６３．９

１９

６．８

９６．１

６０

［１３】

里１２２１１竺！兰：Ｚ

！竺兰Ｑ！

【！！』

之几何相关的∑９和∑２７等晶界【２ｌ】的生成是ＧＢＣＤ优比一般大角度晶界小得多，从而使该合金在敏化温度化的关键。本文作者［１１Ｊ在对Ｐｂ．Ｃａ．Ｓｎ．Ａｌ合金的ＧＢｃＤ范围内处理后，仍具有良好的抗晶间腐蚀能力。

优化研究中发现，３０％冷变形试样在经过高温（２７０１．３

ＧＢＣＤ优化的判据

℃）短时（８ｍｉｎ）退火后特殊晶界比例可达８０％，从其需要指出的是，某种金属材料是否真正实现了

ＥＢＳＤ晶界重构图上，可清晰地观察到很多弯曲的∑３ＧＢＣＤ优化，仅凭低∑ＣＳＬ晶界的比例来评价往往是晶界，∑９和∑２７等低∑ＣＳＬ晶界均处在由一般大角不充分的。这是因为当高比例的特殊晶界位于晶内而度晶界构成的晶界网络上，有效地阻断了一般大角度并未阻断一般大角度晶界网络时，材料的ＧＢｃＤ就达晶界网络的连通性。目前，大量的实验表明，经过不到优化的效果，对抵抗晶间腐蚀、晶界开裂等晶界ＧＢＣＤ优化的材料，其抗晶问腐蚀能力会显著提高。特性就起不到提高的作用【１５＇２４１。因此，Ｋｕｍａｒ等人［１８】Ｌｉｎ和Ｐａｌｕｍｂｏ等人［２］的实验结果表明，经ＧＢＣＤ优指出，至少需要２条低∑ｃｓＬ（２．ＣＳＬ）晶界构成的三化的Ｉｎｃｏｎｅｌ６００比未进行晶界优化的样品其腐蚀速率叉晶界才能阻断晶界失效现象（如腐蚀、偏聚、开裂降低近３倍。Ｐａｌｕｍｂｏ等人【２２】也曾用经过ＧＢＣＤ优化等）的发生，并指出阻断晶界失效的条件是：．尼ｃ。。／的Ｐｂ．Ｃａ．Ｓｎ合金制成铅酸蓄电池的阳极板栅，其抗晶石１—３ｃｓＬ）≥０．３５，这里．尼ｃｓＬ，。艿ｃｓＬ分别是指２条低∑ＣＳＬ间腐蚀性能显著好于经传统工艺（铸造）制备的阳极板晶界和３条低∑ＣＳＬ晶界构成的三叉晶界在所研究的栅。粗略地估计，用这种经ＧＢＣＤ优化的Ｐｂ—Ｃａ—Ｓｎ晶界网络中占的比例。

合金制作阳极板栅，铅酸蓄电池的充放电循环使用寿但特殊晶界并非在任何使用条件下都表现出特殊命可延长３～４倍。Ｂｉ

Ｈ

Ｙ等人［２３］在研究奥氏体不锈钢

性能。有实验表明，奥氏体不锈钢中∑９晶界虽可抵中发现，Ｃｒ在能量较低的低∑ＣＳＬ晶界附近的贫化要

抗一般晶界腐蚀［６］，但在应力腐蚀条件下，却未表现

万　

方数据

稀有金属材料与工程

第３６卷

出良好的耐蚀性［２５１。可见，只有综合考虑特殊晶界比例，晶界网络结构和晶界特性试验（如晶间腐蚀，应力腐蚀，蠕变强度试验等）的结果才能全面准确地判断材料ＧＢＣＤ优化的效果。

总之，具有中低层错能面心立方结构的金属材料的ＧＢＣＤ优化研究取得了一些重要进展：形变退火工艺是诱发大量低∑ＣｓＬ晶界产生的主要工艺；大量退火孪晶界∑３及其几何关联的∑９和∑２７晶界的形成是ＧＢＣＤ优化的关键；低∑ＣＳＬ晶界比例，一般大角度晶界网络的连通性和晶界弱化试验是ＧＢＣＤ优化与否的综合判据。２

经出现了大量的∑３和部分∑９和∑２７晶界；另外，如果低∑ＣｓＬ晶界是由高∑ＣｓＬ晶界与∑３晶界反应生成，那么优化了的ＧＢＣＤ中各种低∑ＣＳＬ晶界比例应该相近，但几乎所有的实验结果都表明【１６，１。７１，经过优化的ＧＢＣＤ中，９０％以上的特殊晶界是∑３，∑９和∑２７。可见，Ｋｕｍａｒ的观点是很难成立的。其三是Ｗａｎｇｗ等人提出的非共格∑３晶界的迁移与反应模型［１１１。该模型再结晶退火过程中形成大量的弯曲的可迁移的非共格∑３晶界是合金ＧＢＣＤ得到优化的根源。首先，低能的共格∑３晶界是稳定并难以迁移的，此类晶界不可能衍生出大量的∑９和∑２７晶界；其次，在再结晶退火过程中，与基体保持非共格取向关系的∑３优先形核，且高度可动，这种非共格∑３晶界的迁移及彼此相遇可生成∑９或∑ｌ晶晃，同样∑９晶界的迁移也可以和∑３或∑９等晶界相遇而发生反应生成∑２７和∑８１等等，这就可以很好地解释优化了的ＧＢＣＤ中为什么主要存在∑３，∑９和∑２７的实验现象。第三，由于非共格∑３晶界有对称（位于｛１１２）面上）和非对称ｆ＜１１０＞晶带中的２３

１７

１７／７７５，２１ｌ／７４４，

基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化机制的讨论

迄今为止，有关退火孪晶诱发ＧＢＣＤ优化机制有

３种。其一是Ｒａｎｄｌｅ提出的∑３再激发模型（∑３

ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ

ｍｏｄｅｌ）［２６】。该模型假定与共格∑．３晶界相

交的一般大角度晶界优先迁移，与共格∑３相遇，反应出∑９晶界，构成∑３一∑３．∑９的晶界连接网络，可动的∑９晶界继续迁移与另一个共格∑３反应，激发出非共格∑３晶界，该非共格晶界处于一般大角度晶界网络上，阻断了大角度晶界的连通；而且易动的非共格∑３晶界还可继续迁移和其他晶界相遇，反应出低∑ｃｓＬ晶界；如此进行下去实现材料的ＧＢＣＤ优化。该模型强调共格孪晶界∑３对ＧＢＣＤ优化的重要作用，认为非共格孪晶界∑３的生成是由共格孪晶界∑３作用的结果。但在众多的实

验‘１１，１５，２４１中发现，仅出

５２２／４４１等）倾侧晶界之分，而共格∑３晶界仅是位于｛１１１）面上的对称倾侧晶界，在基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化过程中，大量非共格∑３晶界（主要为非对称倾侧晶界１的迁移和反应导致晶粒取向的均匀化，即在ＧＢＣＤ优化了的样品中是不存在织构的，这和王卫国等人的实验结果【１１】完全吻合。第四，在ＧＢＣＤ优化过程中，当∑１小角度晶界消耗殆尽时，就不再有新的∑３晶界形成；这时～般大角度晶界在不受小角度晶界钉扎的情况下开始发生迁移，原有的非共格∑３晶界也在迁移，但由于受一般大角度晶界的“扫除”作用，晶粒一旦开始长大，∑３等特殊晶界的比例就会迅速下降，而一般大角度晶界的比例则快速增加，这也和实验结果相吻合。另外，最近Ｋｉｍ等人口州利用五参数晶界面测定法研究经ＧＢＣＤ优化的黄铜的晶界特征时，也发现∑３晶界中非共格的成分是主要的。综上所述，作者认为非共格∑３晶界的迁移与反应应是基于退火孪晶的金属材料ＧＢＣＤ优化的微观机制。

现平直的共格∑３晶界，合金的ＧＢｃＤ得不到优化，而且，有实验表明‘１１，２７１，中低层错能的面心立方金属材料冷轧变形后在较高温度退火时，会形成大量的非共格∑３晶界，从能量最小准则很难想象，这些高比例的非共格∑３晶界（晶界能为０．１～０．６Ｊｍ。２）是由低能的共格∑３孪晶界（０．０１Ｊｍ。２）之间相互作用所致。相反，

倒是有研究［９峙旨出，非共格∑３孪晶界在长时间的退火

过程中，通过微调（ｆｌｎｅｔｕｎｉｎｇ）可转变为共格∑３晶界。其二是Ｋｕｍｅｒ等人提出的高∑ＣＳＬ晶界分解模型【１５】。即中低层错能面心立方金属材料经过适度形变高温退火后，由于形变诱发晶界迁移（ｓｔｒａｉｎ．ｉｎｄｕｃｅｄｂｏｕｎｄａ巧ｍｉｇｒａｔｉｏｎ．ＳＩＢＭ）产生退火孪晶∑３晶界，这些晶界与高∑ＣＳＬ晶界反应生成大量的低∑ＣＳＬ晶界（如∑５１和∑８１等与∑３晶界相遇反应生成∑１７和∑２７等）从而实现合金的ＧＢＣＤ优化。但几乎所有的实验结果［１１卅３，２８１均表明，一般大角度晶界的比例是随着∑１小角度晶界（形变组织）的大量消失而迅速提高的。在这个过程之前，一般大角度晶界的比例很低，而此时已

３基于退火孪晶的ＧＢＣＤ优化机制是亟

待研究的新课题

３．１

非共格∑３晶界形成的微观机制

既然非共格∑３晶界的迁移和反应是基于退火孪

晶的ＧＢＣＤ优化的微观机制，那么对非共格∑３晶界形成的微观机制进行探讨是十分必要的。非共格∑３晶界按其形成过程分为两种，一种是以形核方式形成的∑３晶界（包括共格和非共格∑３孪晶界）；另一种

万方数据　

第８期方晓英等：金属材料晶界特征分布（ＧＢｃＤ）优化研究进展

・１５０３・

是在晶界迁移过程中，原来就具有∑３取向关系的两３．２

非共格∑３晶界在ＧＢＣＤ优化过程中的行为个晶粒相遇后形成∑３晶界；前一种方式的形成几率当大量非共格∑３晶界一旦形成，高度可动的特

要远远大于后者［３们。针对第一种方式，目前的研究大性使得它们在ＧＢｃＤ优化过程中扮演着最活跃的角都是围绕共格∑３孪晶进行讨论的。提出的３种模型色，即通过非共格∑３晶界的迁移彼此相遇以及它们分别是在晶粒长大过程中出现的“长大事故”（ｇｒｏｗｔｈ之间的反应派生出大量的位于晶界网络上的∑３”晶ａｃｃｉｄｅｎｔ）【”】］、“堆垛错排产生孪晶晶核”（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ

ｏｆ

界，真正实现材料ＧＢＣＤ的优化。研究非共格∑３晶ｔｗｉｎｓｂｖｓｔａｃｋｉｎｇ

ｆａｕｌｔ）［３２］和Ｍａｈａｉａｎ和Ｐａｎｄｅ吲提

界的迁移的行为特性，首先应正确标定非共格∑３晶出的兼容“长大事故”和“堆垛错排产生孪晶晶核”界，尤其是要与共格∑３晶界区分开来。近几年才出两种理论的新模型。尽管这些模型对已观察到的共格现的基于ＥＢｓＤ的单一截面迹线分析法【３５Ｊ和五参数晶退火孪晶的形成做出较为合理的解释，但都未提及非面测定法［３６】使定量确定共格∑３晶界和非共格∑３晶共格∑３孪晶界的成因问题。为了寻找非共格∑３孪晶界的百分比以及各种非共格∑３晶界面的位置测定成界的形成原因，不妨先来分析一下中低层错能金属材为可能；其次是确定非共格∑３晶界的迁移主要受哪料退火前的形变状态。由于该类材料的位错不易交滑些因素的影响。非共格∑３晶界比一般大角度晶界结移和攀移，冷变形过程中很难形成普通的位错胞结构，构的有序度高，自由体积小等特点使得溶质原子在其而是形成所谓的泰勒点阵（ＴＬ）【３４１。该点阵是由平行的上的偏聚能力要远远低于一般大角度晶界，这样因偏间距大体均匀的位错阵列而成，位错排列方向并不是聚造成的溶质原子对晶界的钉扎作用很小。但根据实随机的，而是平行于（１１１）滑移面，其几何必需边界验观察【１１１，非共格∑３晶界往往形成于再结晶初期，（ＧＮＢ）包括高密度位错墙（ＤＤｗ）和显微带（ＭＢ）晶粒细小。根据Ｇｏｔｔｓｔｅｉｎ［３７】提出的无量纲判据

通常为较长的平面结构，也总是接近平行于（１１１）滑移面，在随后的加热回复过程中，这些几何必需边界么＝竺善（肌Ⅳ和脚∞分别为三叉晶界交汇点和晶界

…Ⅳ一

ｍ”

包围的ＴＬ块不易形成锋锐的胞壁，即多边形化较困的迁移率，口为晶粒尺寸），当力《ｌ时，晶界迁移主难，容易发生位错分解扩展。由于ＴＬ块中位错排列要受控于三叉晶界交汇处的运动，此时该判据以很小，具有一定的晶体学取向关系，这样在（ｎ１）面上由于晶界网络结构中的三叉晶界不再单纯是晶界相遇后位错的扩展易发生层错，即可构成初始的孪晶晶核，自发形成的热力学平衡点【３７１，而是直接影响到晶界迁这似乎仍是形成｛１１１｝共格孪晶界，而不是非共格孪晶

移的动力学行为，即对晶界的迁移具有很大的拖曳作界。但若升高中低层错能金属的变形温度（０．３～０．５矗），

用‘３０，３８１。可以说非共格∑３晶界开始迁移时，即有来则形变金属会形成一种ＴＬ和位错胞共存的过渡亚晶自晶界总界面能降低的驱动力，同时也有来自三叉晶结构，即胞壁包围ＴＬ位错，形成类似散漫的位错胞界对其的阻力。当然，同一般大角度晶界一样，非共状结构。此时较长的ＧＮＢ不再是平直的，而是弯曲格∑３晶界的迁移仍会受到第二相、溶质原子、应力的。弯曲的ＧＮＢ在随后的回复过程中，某些平行于分布状态以及晶界面位置等的影响。此外，通过两个基体｛１１１，晶面的部分可能与基体保持∑３共格关系而具有∑３取向的晶粒构成的非共格∑３晶界还会受材成为共格孪晶晶核部位，和其相连的部分因无法保持料织构类型的影响【２７１。既然∑３”之间的反应和大量增共格关系但位错密度又不足以形成一般大角度晶界而殖都是建立在非共格∑３晶界的广泛迁移基础上的，有可能成为非共格孪晶界。这似乎解释了为什么室温那么采用ＯＩＭ（或ＥＢＳＤ）分析方法，ＴＥＭ观察，退火下形变的金属材料（如３０４不锈钢，镍基合金）其退过程中的原位组织观察以及热力学模拟计算等多种技火后的ＧＢＣＤ中的∑３晶界多为平直的共格孪晶界，术相结合的办法来研究非共格∑３晶界的迁移反应彳亍而室温（０．４８％）变形的Ｐｂ基合金退火后出现大量的为及其影响因素应是另一重要的研究课题。弯曲的非共格∑３晶界。但这也仅仅是一种推测，尚４

无直接的实验证据。所以进一步针对非共格∑３晶界结语

的成因问题展开深入的研究是为基于退火孪晶的目前，国外虽在几种中低层错能面心立方金属材ＧＢＣＤ优化研究找到突破口的关键所在。而且，中温形料的ＧＢＣＤ优化工艺研究中取得重要进展，但涉及到变金属的这种过渡亚晶结构对合金含量、温度、形变速的一些基础问题还不十分清楚，进一步研究形变退火率等相当敏感，因此，如何选择适当的合金成分、形变诱发非共格∑３孪晶形成的微观机制和在ＧＢＣＤ优化温度和形变速率以及退火温度和时间等是诱发中低层中的行为是有望取得重要突破的研究方向。

错能金属产生大量非共格∑３孪晶界的关键。

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（１．ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｚｉｂｏ２５５０４９，ｃｈｉｎａ）

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Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｆａｎｇ

ｘｉａｏｙｉｎｇ，ｃａｎｄｉｄａｔｅｆｏｒＰｈ．Ｄ．，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａＵｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ２５５０４９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｔｅｌ：００８６．５３３．２７８０６０２

万方数据　

金属材料晶界特征分布(GBCD)优化研究进展

作者：作者单位：

方晓英， 王卫国， 周邦新， Fang Xiaoying， Wang Weiguo， Zhou Bangxin

方晓英,Fang Xiaoying(山东理工大学,山东,淄博,255049;上海大学,上海,200072)， 王卫国,Wang Weiguo(山东理工大学,山东,淄博,255049)， 周邦新,Zhou Bangxin(上海大学,上海,200072)

稀有金属材料与工程

RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING2007,36(8)2次

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