傾斜晶界傾斜晶界Cu雙晶的疲勞開(kāi)裂行為及其機(jī)制

研究表明，多晶體中疲勞裂紋往往沿晶界萌生。通過(guò)對(duì)Cu多晶體疲勞斷裂行為的研究，Mughrabi等人提出了一種駐留滑移帶(PSB)撞擊晶界的疲勞裂紋萌生機(jī)制(PSB—GB機(jī)制)來(lái)解釋這種沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象，這個(gè)模型與中、低應(yīng)變幅下多晶體疲勞損傷的一些表面滑移事實(shí)相吻合。但在大應(yīng)變幅(5x10^-3以上)下Cu多晶體疲勞裂紋萌生的研究中，Kim和Laird 發(fā)現(xiàn)晶界裂紋的產(chǎn)生與晶界兩側(cè)晶粒的高度差，即晶界臺(tái)階的形成有密切關(guān)系，進(jìn)而提出了一個(gè)與PSB—GB機(jī)制完全不同的大應(yīng)變幅下晶界臺(tái)階機(jī)制。事實(shí)上，在較高的應(yīng)變幅下也能夠觀察到PSB—GB裂紋陣。顯然，對(duì)這種沿晶疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。由于多晶體晶粒的取向和晶界幾何結(jié)構(gòu)難于控制，不便分析和研究。研究采用幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于控制的雙晶體來(lái)進(jìn)一步研究這種沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象，試圖為多晶體的疲勞損傷及其機(jī)制的認(rèn)識(shí)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

傾斜晶界實(shí)驗(yàn)方法

利用Birdgman方法生長(zhǎng)出大塊Cu雙晶。用Laue背散射技術(shù)確定雙晶的晶體取向后(2°偏差)，用電火花線切割機(jī)切取一組[134]垂直晶界(見(jiàn)圖1a)和兩組[134]傾斜晶界(見(jiàn)圖1b，c)雙晶疲勞試樣，其中一組傾斜晶界雙晶晶界與加載軸約成25°夾角，稱傾斜晶界雙晶I，見(jiàn)圖1b；另一組傾斜晶界雙晶的晶界與加載軸約成50°夾角，稱傾斜晶界雙晶Ⅱ，見(jiàn)圖1c。這樣設(shè)計(jì)可以保證雙晶試樣的晶界結(jié)構(gòu)滑移系開(kāi)動(dòng)條件完全相同，僅僅是雙晶晶界與滑移系的相對(duì)取向有所改變，從而單獨(dú)研究晶界取向?qū)﹄p晶體疲勞開(kāi)裂行為的影響。疲勞試樣標(biāo)距內(nèi)截面積為6mmx4mm，標(biāo)距長(zhǎng)度12.5mm，夾頭部分截面積為6mmx6mm，試樣總長(zhǎng)度為64mm。

傾斜晶界實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）垂直晶界雙晶的疲勞開(kāi)裂行為

SEM觀察發(fā)現(xiàn)，[134]垂直晶界Cu雙晶疲勞裂紋的萌生同駐留滑移帶與晶界交互作用密切相關(guān)，在承受高、低應(yīng)變幅循環(huán)的疲勞試樣表面都觀察到許多由滑移帶撞擊晶界而形成的沿晶疲勞裂紋(PSB一GB裂紋)，這種裂紋形成的幾率與應(yīng)變幅有一定關(guān)系，大應(yīng)變幅下裂紋萌生幾率更大一些。圖2給出γ_pl=1.8x10^-4和4.1x10^-4兩種不同應(yīng)變幅下的PSB—GB裂紋的形貌。從該圖中可以看到，在形成疲勞裂紋的地點(diǎn)，雙晶體滑移變形的程度較大。很顯然，正是由于這種滑移變形的集中，通過(guò)與晶界的反復(fù)作用，導(dǎo)致了沿晶開(kāi)裂。

（2）傾斜晶界雙晶的疲勞開(kāi)裂行為

同垂直晶界類似，晶界同樣是兩組[134]傾斜晶界Cu雙晶疲勞裂紋形成的有利地點(diǎn)，也是疲勞裂紋拓展的有利途徑。在某些應(yīng)變下，晶面觀察到少許PSB-GB裂紋的形成，但更多的裂紋似乎與滑移帶撞擊晶界的作用關(guān)系不大。也就是說(shuō)，晶界臺(tái)階機(jī)制在傾斜晶界雙晶的疲勞開(kāi)裂中起主要作用，而PSB-GB裂紋的作用較小。

傾斜晶界實(shí)驗(yàn)討論

雙晶體變形時(shí)在x表面上會(huì)產(chǎn)生較大的滑移量，因而產(chǎn)生晶界臺(tái)階，導(dǎo)致晶界疲勞裂紋形成。特別是在大應(yīng)變幅下，由于變形程度和滑移量大，晶界臺(tái)階更易形成，因此沿晶開(kāi)裂更易發(fā)生。雖然[134]傾斜晶界雙晶的幾何參數(shù)α和β同垂直晶界雙晶完全相同，但觀察發(fā)現(xiàn)傾斜晶界雙晶中PSB—GB裂紋對(duì)雙晶體的疲勞損傷不起主導(dǎo)作用，說(shuō)明傾斜晶界雙晶體中晶界臺(tái)階裂紋較PSB—GB裂紋更易形成，臺(tái)階機(jī)制占主導(dǎo)作用。

上述傾斜晶界雙晶體疲勞開(kāi)裂行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于理解多晶體的疲勞裂紋萌生行為和機(jī)制。在多晶體中，由于晶粒取向分布復(fù)雜，各種幾何取向的晶粒都會(huì)存在。同傾斜晶界雙晶類似，在大應(yīng)變幅下，由于變形量大，在幾何條件有利的傾斜晶界上很容易形成晶界臺(tái)階。而與晶界臺(tái)階形成相比，PSB—GB裂紋形核和長(zhǎng)大較慢，正如Kim和Laird所觀察到的，大應(yīng)變幅下沿晶裂紋往往以臺(tái)階機(jī)制在傾斜晶界上形成。而在小應(yīng)變幅下，即使晶粒的幾何條件與臺(tái)階裂紋形成的幾何條件吻合，由于滑移量小，形成的晶界臺(tái)階也較小。往往在形成能導(dǎo)致裂紋形核的較大臺(tái)階之前，在那些幾何條件與PSB—GB機(jī)制吻合較好的晶粒內(nèi)，由于PSB與晶界的反復(fù)作用就導(dǎo)致了PSB—GB開(kāi)裂。所以小應(yīng)變幅下，對(duì)于多晶體的疲勞損傷PSB—GB裂紋更為重要。

傾斜晶界研究結(jié)果

（1）受循環(huán)應(yīng)變載荷作用的Cu雙晶體，晶界既是疲勞裂紋萌生的有利地點(diǎn)，也是疲勞裂紋擴(kuò)展的有利路徑。

（2）垂直晶界雙晶和傾斜晶界雙晶疲勞裂紋萌生的機(jī)制有所不同。垂直晶界雙晶沿晶疲勞裂紋主要由駐留滑移帶撞擊晶界而產(chǎn)生；而對(duì)于傾斜晶界雙晶，疲勞裂紋優(yōu)先以臺(tái)階機(jī)制形成。造成這種差別的原因同兩種雙晶體的活動(dòng)滑移系與晶界的相對(duì)幾何關(guān)系有關(guān)。 2100433B

按照相鄰亞晶粒間位向差的型式不同，小角度晶界可分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界等。它們的結(jié)構(gòu)可用相傾斜晶界應(yīng)的模型來(lái)描述。

1.對(duì)稱傾斜晶界

對(duì)稱傾斜晶界(symmetrical tilt boundary)可看作是把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。由于相鄰兩晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。

2.不對(duì)稱傾斜晶界

如果傾斜晶界的界面繞x軸轉(zhuǎn)了一角度φ，則此時(shí)兩晶粒之間的位向差仍為θ角，但此時(shí)晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是傾斜晶界不對(duì)稱的，故稱不對(duì)稱傾斜晶界(unsymmetrical tilt boundary)。它有兩個(gè)自由度θ和φ。該晶界結(jié)構(gòu)可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)交錯(cuò)排列而構(gòu)成的。

3.扭轉(zhuǎn)晶界

扭轉(zhuǎn)晶界(twist boundary)是小角度晶界的一種類型。它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)θ角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。該晶界的結(jié)構(gòu)可看成是由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成。

扭轉(zhuǎn)晶界和傾斜晶界均是小角度晶界的簡(jiǎn)單情況，不同之處在于傾斜晶界形成時(shí)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)；扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)軸則垂直于晶界。一般情況下，小角度晶界都可看成是兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成的，只不過(guò)其轉(zhuǎn)軸既不平行于晶界也不垂直于晶界。對(duì)于這樣的小角度晶界，可看作是由一系列刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。

二維點(diǎn)陣中晶界位置可用兩個(gè)晶粒的位向差θ和晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的夾角φ來(lái)確定。根據(jù)相鄰晶粒之間傾斜晶界位向差θ角的大小不同可將晶界分為兩類：

1.小角度晶界(small-angle grain boundary)——相鄰晶粒的位向差小于10°的晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2°；

2.大角度晶界(large-angle grain boundary)——相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界，多晶體中90%以上的晶界屬于此類。

因而無(wú)機(jī)非金屬材料是由形狀不規(guī)則和取向不同的晶粒構(gòu)成的多晶體，多晶體的性質(zhì)不僅由晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它們的缺陷結(jié)構(gòu)所決定，而且還與晶界結(jié)構(gòu)、數(shù)量等因素有關(guān)。尤其在高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，要求材料具有細(xì)晶交織的多晶結(jié)構(gòu)以提高機(jī)電性能。此時(shí)晶界在材料中所起的作用就更為突出。當(dāng)多晶體中晶粒平均尺寸為1um界占晶體總體積的1/2。顯然在細(xì)晶材料中，晶界對(duì)材料的機(jī)、電、熱、光等性質(zhì)都有不可忽視作用。 凡結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶體相互接觸，其接觸界面稱為晶界。如果相鄰晶粒不僅位向不同，而且結(jié)構(gòu)、組成也不相同，即它們代表不同的兩個(gè)相測(cè)其間界稱為相界面或界面。由于原子（離子）間結(jié)合鍵的變化及結(jié)構(gòu)畸變，相界面同樣具有特殊的界面能，可以與晶界類同看待。

晶界（grain boundary ）是結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒之間的界面。

它包含兩層含義。一層含義是晶界本身是個(gè)畸變區(qū)，有內(nèi)應(yīng)力作用在晶界面及其附近區(qū)域。例如。由位錯(cuò)列構(gòu)成的小角度晶界的應(yīng)力場(chǎng)可用位錯(cuò)理論算出，它在晶界面上有極大值，并急劇下降，故是一種短程應(yīng)力。另一層含義是指作用在晶界面上的外應(yīng)力或其它內(nèi)應(yīng)力源的內(nèi)應(yīng)力(如位錯(cuò)塞積在晶界)。高溫蠕變時(shí)，作用在晶界面上的切應(yīng)力使晶界產(chǎn)生滑動(dòng)從而導(dǎo)致蠕變塑性變形。作用在晶界面上的正應(yīng)力能使原子定向擴(kuò)散流動(dòng)，從而產(chǎn)生沿晶界擴(kuò)散的蠕變 。

在晶界面上，原子排列從一個(gè)取向過(guò)渡到另一個(gè)取向，故晶界處原子排列處于過(guò)渡狀態(tài)。 晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。無(wú)機(jī)非金屬材料是由微細(xì)粉料燒結(jié)而成的。在燒結(jié)時(shí)，眾多的的微細(xì)顆粒形成大量的結(jié)晶中心。當(dāng)它們發(fā)育成晶粒并逐漸長(zhǎng)大到相遇時(shí)就形成晶界 。