關(guān)于作者
中國科學(xué)院金屬研究所
孿晶界面低周疲勞開裂機制研究取得進展
材料新視野
2014年01月21日
相對于普通大角晶界，共格孿晶界面對材料的強度和塑性具有較為特殊的貢獻。最近發(fā)現(xiàn)：含有高密度生長孿晶的納米孿晶銅同時表現(xiàn)出高的拉伸強度和良好的塑性，這主要歸因于孿晶界面與位錯之間交互作用的特殊性：一方面，孿晶界面可以像大角晶界一樣有效阻礙位錯穿過，提高強度；而另一方面，孿晶界面本身作為一個滑移面，同樣允許位錯在其上滑移，進而增加塑性。在循環(huán)加載條件下，孿晶界面也表現(xiàn)出了與普通大角晶界不同的特點。在高周疲勞載荷下，由于孿晶界面兩側(cè)的彈性各向異性而產(chǎn)生的應(yīng)力集中使得其容易萌生疲勞裂紋；在低周疲勞載荷下，孿晶界面較大角晶界更難發(fā)生疲勞開裂，而對于孿晶界面較高的抗低周疲勞開裂阻力的認識目前尚不清楚。
沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究員課題組系統(tǒng)地研究了面心立方金屬中孿晶界面低周疲勞開裂行為。前期研究發(fā)現(xiàn)：隨合金層錯能的降低，孿晶界面萌生疲勞裂紋的傾向性提高。最近，他們又研究了孿晶界面兩側(cè)晶體取向、層錯能和滑移方式對Cu及Cu-Zn、Cu-Al合金中孿晶界面疲勞開裂行為的影響。在相同的疲勞載荷條件下幾種不同合金材料中疲勞裂紋既可以沿滑移帶萌生，也可以沿孿晶界面萌生，這說明孿晶界面是否萌生疲勞裂紋不僅僅取決于外加載荷和材料本身，而且與每一個晶粒具體的特定受載條件密切相關(guān)。
為了進一步認識孿晶界面低周疲勞開裂機制的本質(zhì)，他們利用孿晶界面與開動滑移系之間的特殊晶體學(xué)關(guān)系，提出了一種通過滑移形貌來直接確定晶粒取向的方法，并同時引入了一個新的參數(shù)（Schmid因子差（ ））來描述晶粒取向?qū)\晶界面疲勞開裂行為的影響。根據(jù)材料在塑性變形過程中分切應(yīng)力與位錯密度的關(guān)系
，再結(jié)合Schmid定律，可以確定孿晶界面兩側(cè)由于應(yīng)力不協(xié)調(diào)而在孿晶界面處塞積的位錯個數(shù)：
，再結(jié)合Schmid定律，可以確定孿晶界面兩側(cè)由于應(yīng)力不協(xié)調(diào)而在孿晶界面處塞積的位錯個數(shù)： 0為位錯開動需要的臨界應(yīng)力，近似等于屈服強度。另一方面，擴展位錯在穿過孿晶界面時需要束集到一定臨界寬度（Rc），而這個位錯的擴展寬度是由層錯能決定的。所以根據(jù)層錯能的定義以及位錯塞積性質(zhì)，可以確定在孿晶界面處塞積的位錯數(shù)目與層錯能的關(guān)系：
，其中M為兩個擴展位錯的排斥力， 0為塞積位錯群中一根位錯提供的塞積力。
根據(jù)以上關(guān)于晶體取向和層錯能對孿晶界面處位錯塞積數(shù)目的影響，再結(jié)合位錯滑移方式對孿晶界開裂的影響，他們建立了Schmid因子差（ ）、層錯能( ）、滑移方式和孿晶界面開裂的臨界判據(jù)半定量方程：
，其中nc為孿晶界面開裂所需要的臨界塞積位錯數(shù)，對某一材料可認為近似不變， 為考慮位錯滑移方式而引進的參數(shù)，K、G、b、M為材料常數(shù)，而L, Rc、 0和 0對一定組織的材料也變化不大。以上分析表明孿晶界面臨界開裂區(qū)是 與 的分段線性方程：隨著位錯滑移方式（ ）的改變， 與 的線性關(guān)系的斜率也會改變?；谝陨夏Ｐ?，他們在6種具有不同層錯能（ ）的合金材料中統(tǒng)計分析了大量關(guān)于Schmid因子差與孿晶界面疲勞開裂與否關(guān)系的實驗證據(jù)，結(jié)果表明：隨合金材料層錯能的提高和孿晶界面兩側(cè)Schmid因子差的減小，孿晶界面疲勞開裂變得越來越困難，而隨著位錯滑移方式逐漸由Cu的波狀滑移轉(zhuǎn)變?yōu)镃u-16%at.Al的平面滑移，這兩者的影響越來越明顯。
結(jié)合前期對各種大角晶界和小角晶界疲勞開裂行為的研究結(jié)果，他們又進一步評價了小角晶界、孿晶界面和大角晶界在低周疲勞下的疲勞開裂難易程度，其順序為：小角晶界＞孿晶界面＞大角晶界，而孿晶界面的抗疲勞開裂阻力又主要取決于晶體取向和層錯能。因此，相對于普通晶界，無論是在提高強度方面，還是優(yōu)化疲勞性能方面，孿晶界面都表現(xiàn)得更加優(yōu)異。這些研究結(jié)果有利于更好地理解各種界面在循環(huán)載荷下的疲勞開裂機制，也為通過控制材料的界面結(jié)構(gòu)來優(yōu)化其疲勞性能提供了一定參考。上述研究得到國家自然科學(xué)重大基金項目資助，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Scripta Mater. (2011, 2012)、Philos. Mag. (2011)和Acta Mater. (2012) 等刊物上。
沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究員課題組系統(tǒng)地研究了面心立方金屬中孿晶界面低周疲勞開裂行為。前期研究發(fā)現(xiàn)：隨合金層錯能的降低，孿晶界面萌生疲勞裂紋的傾向性提高。最近，他們又研究了孿晶界面兩側(cè)晶體取向、層錯能和滑移方式對Cu及Cu-Zn、Cu-Al合金中孿晶界面疲勞開裂行為的影響。在相同的疲勞載荷條件下幾種不同合金材料中疲勞裂紋既可以沿滑移帶萌生，也可以沿孿晶界面萌生，這說明孿晶界面是否萌生疲勞裂紋不僅僅取決于外加載荷和材料本身，而且與每一個晶粒具體的特定受載條件密切相關(guān)。
為了進一步認識孿晶界面低周疲勞開裂機制的本質(zhì)，他們利用孿晶界面與開動滑移系之間的特殊晶體學(xué)關(guān)系，提出了一種通過滑移形貌來直接確定晶粒取向的方法，并同時引入了一個新的參數(shù)（Schmid因子差（ ））來描述晶粒取向?qū)\晶界面疲勞開裂行為的影響。根據(jù)材料在塑性變形過程中分切應(yīng)力與位錯密度的關(guān)系
，再結(jié)合Schmid定律，可以確定孿晶界面兩側(cè)由于應(yīng)力不協(xié)調(diào)而在孿晶界面處塞積的位錯個數(shù)：
，再結(jié)合Schmid定律，可以確定孿晶界面兩側(cè)由于應(yīng)力不協(xié)調(diào)而在孿晶界面處塞積的位錯個數(shù)： 0為位錯開動需要的臨界應(yīng)力，近似等于屈服強度。另一方面，擴展位錯在穿過孿晶界面時需要束集到一定臨界寬度（Rc），而這個位錯的擴展寬度是由層錯能決定的。所以根據(jù)層錯能的定義以及位錯塞積性質(zhì)，可以確定在孿晶界面處塞積的位錯數(shù)目與層錯能的關(guān)系：
，其中M為兩個擴展位錯的排斥力， 0為塞積位錯群中一根位錯提供的塞積力。
根據(jù)以上關(guān)于晶體取向和層錯能對孿晶界面處位錯塞積數(shù)目的影響，再結(jié)合位錯滑移方式對孿晶界開裂的影響，他們建立了Schmid因子差（ ）、層錯能( ）、滑移方式和孿晶界面開裂的臨界判據(jù)半定量方程：
，其中nc為孿晶界面開裂所需要的臨界塞積位錯數(shù)，對某一材料可認為近似不變， 為考慮位錯滑移方式而引進的參數(shù)，K、G、b、M為材料常數(shù)，而L, Rc、 0和 0對一定組織的材料也變化不大。以上分析表明孿晶界面臨界開裂區(qū)是 與 的分段線性方程：隨著位錯滑移方式（ ）的改變， 與 的線性關(guān)系的斜率也會改變?；谝陨夏Ｐ?，他們在6種具有不同層錯能（ ）的合金材料中統(tǒng)計分析了大量關(guān)于Schmid因子差與孿晶界面疲勞開裂與否關(guān)系的實驗證據(jù)，結(jié)果表明：隨合金材料層錯能的提高和孿晶界面兩側(cè)Schmid因子差的減小，孿晶界面疲勞開裂變得越來越困難，而隨著位錯滑移方式逐漸由Cu的波狀滑移轉(zhuǎn)變?yōu)镃u-16%at.Al的平面滑移，這兩者的影響越來越明顯。
結(jié)合前期對各種大角晶界和小角晶界疲勞開裂行為的研究結(jié)果，他們又進一步評價了小角晶界、孿晶界面和大角晶界在低周疲勞下的疲勞開裂難易程度，其順序為：小角晶界＞孿晶界面＞大角晶界，而孿晶界面的抗疲勞開裂阻力又主要取決于晶體取向和層錯能。因此，相對于普通晶界，無論是在提高強度方面，還是優(yōu)化疲勞性能方面，孿晶界面都表現(xiàn)得更加優(yōu)異。這些研究結(jié)果有利于更好地理解各種界面在循環(huán)載荷下的疲勞開裂機制，也為通過控制材料的界面結(jié)構(gòu)來優(yōu)化其疲勞性能提供了一定參考。上述研究得到國家自然科學(xué)重大基金項目資助，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Scripta Mater. (2011, 2012)、Philos. Mag. (2011)和Acta Mater. (2012) 等刊物上。