孪晶界强化
被称作金属材料的第五种强化方法
大角度晶界
High Angle Grain Boundaries
重合位置点阵模型
Coincidence Site Lattice
（CSL Model）
a
晶界的性质
重合位置点阵与大角度晶界
Coincidence Site Lattice and Large Angle Grain Boundaries
对力学性能影响较大 但对电性能影响小
孪晶界及其强化作用
孪晶界是一种低能共格晶界，它能够有效地阻位错运动并吸收部分位 错，因此可以起到与普通晶界相似的强化作用。但是共格孪晶界对电子的 散射能力极小，其电阻值比普通晶界的电阻低一个数量级。因此，通过引 入大量孪晶界（即制备出高密度纳米尺寸生长孪晶）可以大幅度提高材料 的强度而对其电导特性无明显影响。
性变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力t即为该多晶材料的屈服应 力ts f (r)× (ts -to) 2×d/(b×G)＝ t* ts = to + [t* f (r) bG] (-1/2) ×d(-1/2)
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
大角度晶界HREM像（CSL）
纯铝晶界能与晶粒取向差的关系
计算值
实验值
晶界能与晶粒取向差的关系
晶界强化
Grain Boundary Strengthening Hall-Petch公式：
ts= to + kd-1/2 ss= so + kd-1/2
晶界前位错塞积群数目 n ∝{ (t-to)×d｝/（b×G） 领先位错处的应力场 t(r) ∝ n× (t-to) = ｛(t-to) 2×d｝/（b×G） 在相邻晶粒位错源S2处的分切应力t(r)=f(r)×t(r) = {f(r)×(t-to)2×d}/(b×G) 当t(r)≥ t*时， （t*为位错源S2开动的临界应力），S2开动，相邻晶粒发生塑
面缺陷：晶界与相界面
Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases
《物理冶金学原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)
中科院金属研究所提出利用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径以 实现超高强度和高导电性并最近获得成功。他们采用脉冲电解沉积技术制 备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，通过工艺过程研究调整样 品的晶粒尺寸、孪晶厚度及其分布、织构状态等，获得了具有超高强度和 高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达1068MPa（是普通纯铜的十倍以上， 达到高强度钢或铜晶须的强度水平），而室温电导率与无氧高导（OFHC） 铜相当（97%IACS）。
晶界及相界的结构、 性质、作用!
Grain Boundaries in Titanium Alloy
镍基单晶高温合金中
的Ni3Al/Ni相界面！
Ni3Al/Ni Coherent Interface in SingleCrystal Ni-Base Superalloy
材料的物理化学性能 与晶界与相界结构
- etc
Properties:
- Mechanical - Functional
面缺陷：晶界与相界面
Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases
Planar Defects
面 缺 陷
Hale Waihona Puke 晶界小角度晶界（small angle GB）
强度和导电性是导体金属材料的两个至关重要性能。纯金属（如银、 铜等）具有很高的导电率，但其强度极低（均小于100MPa）。通过合金化 固溶强化、晶粒细化、加工强化等强化技术可大幅提高强度，但往往导致 金属材料电导率的大幅度降低，其原因在于这些强化技术本质上是在材料 中引入各种缺陷，如晶粒细化引入更多晶界，加工强化引入大量位错，这 些缺陷会显著增大对电子的散射，从而降低导电性能。
Grain Boundaries 大角度晶界（large angle GB）
相界
Interfaces
共格界面 coherent 非共格界面 non-coherent 半共格界面 semi-coherent
表面
Free Surface
实际金属材料中的晶界与相界 • 单相单晶材料： • 单相多晶材料：晶界 • 多相材料：相界面、相结构
对称倾侧小角度晶界 由刃位错墙组成
Symmetric Tilt Small Angle Grain Boundaries
Egb=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)}
q=b/D
D
Egb=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)}
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries
孪晶界：一种理想的共格界面 无应变能、界面能即层错能
• 物理性能：电阻、磁性、导热性 • 化学性能：耐蚀性、抗氧化性能 • 力学性能：强度、塑性、韧性、裂
纹扩展
• 工艺性能：冷变形、热变形、焊接、 热处理、机械加工、
晶界的描述: 5个自由度
Grain Boundary
Crystal I
小角度晶界
Low Angle Grain Boundaries