1、学校代码： 10289 分类号； TG156.93 密 级： 公 开 学 号： 092060023 江苏科技大学 硕 士 学 位 论 文 形变及热处理对工业纯铜 晶界结构与组织和性能的影响 研究生姓 名 阎 璐 导 师 姓 名 谢 春 生 申请学位类别 工学硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学 科 专 业 材料学 论文提交 日期 2012 年 4 月 20 日 研 究 方 向 材料组织与性能 论文答辩 日期 2012 年 5 月 26 日 答辩委员会主席 评 阅 人 2012 年 4 月 20 日形变热处理对铜合金晶界结构与组织和性能的影响 阎璐 江苏科技大学 分类号： TG156.
2、93 密 级： 公 开 学 号 ： 092060023 工 学硕士学位论文 形变及热处理对工业纯铜 晶界结构与组织和性能的影响 学生姓名 阎璐 指导教师 谢春生 教授 江苏科技大学 二 O 一二 年四 月 A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Materials Engineering The effect of deformation and heattreatment on microstructure and properties of copper and co
3、pper alloy Submitted by Yan Lu Supervised by Chunsheng Xie Jiangsu University of Science and Technology 摘 要 I 摘 要 I 摘 要 汽轮发电机轴瓦作 为汽轮发电机承载件，不仅需要保证 汽轮发电机转子 (轴 ) 正常运转， 同时还要 防止价值昴贵 的汽 轮发电机转子轴颈 与轴瓦发生 磨损 ，一般选用工业纯铜来制作。 目前， 发电机轴瓦主要 采 用 自由锻冷变形 与热处理配合使用方法来生产。但材料经过 变形 处理后 各部位 组织 不均匀， 因而 使得轴瓦性能也不均匀。本课题 试图通过晶界工程
4、方法优化纯铜轴瓦晶界特征分布，确保其性能达到：硬度 50HB,导电率 98%IACS，晶粒度达到 0.0250.06mm。 本课题采用单步拉拔冷变形与退火工艺相结合，以及两次拉拔冷变形与退火工艺相结合的方法对工业纯铜进行晶界工程处理。利用 金相显微镜 、 导电率仪、 布氏硬度 计 、电解抛光 、电子背散射衍射技术等 检测手段对工业纯铜显微组织、导电率、硬度、晶界特征分布等进行测试分析。较为系统的研究晶界工程技术对工业纯铜组织和性能影响。 研究表明： 单步变形退火实验中， 10%变形量试样 500 60min 退火后得到的组织与性能与其他变形量试样相比更好，晶界优化效果更明显。硬度值达到 43.
5、8HB，导电率对变形量因素不敏感，始终变化不大。 10%变形量退火试样晶粒分布较其他变形量试样更加均匀，尺寸较小晶粒含量较高。同时内部存在较多 低 值 CSL 晶界，其中以 3 晶界为主，并构成 低 值 CSL 晶界网络，有效打断了一般大角度晶界网络。 10%变形量退火试样在 在保证了抗拉强度的基础上具有良好的塑性，有助于提高材料的耐磨性能。 两次变形退火实验中 ， 25%两次变形退火试样与其他变形量两次变形退火试样相比具有较高硬度值，达到 48.4HB，而保持较高的导电率，为 99.47%IACS。同时晶粒尺寸细小且分布均匀。晶界优化效果较好，晶粒内部存在较多 低 值CSL 晶界，其中以 3
6、 晶界为主，有效优化晶界。 从而满足 汽轮发电机转子对工业纯铜轴瓦的使用 性能与组织的要求。本文研究工作 为 汽轮发电机转子承载件工业纯铜轴瓦材料成型及 实际工程应用提供 了 理论和实验基础。 关键 词 拉拔变形 ； 退火 ； 硬度； 导电率； 晶界 江苏科技大学工学硕士学位论文 II Abstract III ABSTRACT Turbine generator bearing which generally made by copper, not only needs to ensure that it can support the weight of turbine generator
7、, but also to prevent wear between turbo generator rotor and bearing. At present, the generator bearing is mainly produced by free forging deformation and heat treatment. However, the microstructure of copper after deformation is not homogeneous which would effect the properties of copper bearing. T
8、he topic of this study is trying to optimize the grain boundary character distribution of pure copper bearing through grain boundary engineering and ensuring its performance: Hardness 50HB, conductivity 98% IACS, grain structure fine and homogeneous distributed. In this study, using two methods whic
9、h one is single-step drawing deformation and annealing process and the other is two-step drawing deformation and annealing to cope with copper. I take charge of series of detection, such as optical microscopy, conductivity tester, Brinell hardness tester, electrolytic polishing and electric back sca
10、tter diffraction technology, to detect copper microstructure, electrical conductivity, hardness, distribution of grain boundary characteristics and other properties. Research results show that: in single-step deformation and annealing experiments, 10% deformation sample after 500 60min annealing, co
11、mpared to other deformation sample, has better properties and performance. The hardness reaches 43.8 HB, and deformation has little effect on conductivity. Grain size distribution of 10% deformation sample is more homogeneous than the other specimen deformation. At the same time within lots of low v
12、alue CSL grain boundaries, which is mainly made of 3 grain boundaries compose the low- CSL grain boundary network. 10% deformation samples also show good strength and wear resistance. In two-step deformation and annealing experiments, 25% deformation sample, compared to other deformation samples, sh
13、ows higher hardness which reaches 48.4HB and maintains high conductivity which reaches 99.47% IACS. It also has small grain size and homogeneous distribution. Grain boundary optimization is better than other deformation samples. Lots of low CSL grain boundaries, which is made of 3 grain boundary, ex
14、ist and effective optimize grain boundary. All of these ensure the properties of turbine generator bearing could meet the requirements of turbine generator. The study of copper which used for turbine generator bearing provides theoretics and experimental basis for engineering application. 江苏科技大学工学硕士
15、学位论文 IV Keywords: drawing deformation, annealing, hardness, conductivity, grain boundary. 目 录 V 目 录 摘 要 I ABSTRACT III 目 录 . V CONTENT VII 第 1 章 绪 论 1 1.1 晶界工程发展历程 . 1 1.2 晶界工程分类 . 3 1.2.1 基于退火孪晶晶界工程 3 1.2.2 基于织构晶界工程 4 1.2.3 基于原位自协调的晶界工程 5 1.2.4 基于合金化晶界工程 5 1.3 晶界工程实现途径 . 5 1.4 晶界工程国内外应用现状 6 1.4.1 3
16、04 不锈钢 6 1.4.2 镍及镍基合金 . 7 1.4.3 铝及铝基合金 . 8 1.4.4 铅及铅基合金 . 8 1.5 晶界工程在铜及铜合金方面运用 . 9 1.6 课题意义 . 9 1.7 实验内容 . 11 第 2 章 实验内容及方法 12 2.1 实验原理： 12 2.1.1 自由锻造 12 2.1.2 拉拔 13 2.2 实验材料 . 14 2.3 实验材料处理 . 14 2.3.1 试样预处理 . 14 2.3.2 单步拉拔退火处理 14 2.3.3 两步拉拔退火处理 15 2.4 实验标准与仪器设备 . 15 2.5 实验测试方法 . 16 2.5.1 硬度测试 16 2.
17、5.2 导电率测试 . 16 2.5.3 拉伸性能测试 16 2.5.4 电解抛光 17 2.5.5 EBSD 背散射衍射分析 . 18 第 3 章 拉拔冷变形工艺对工业纯铜 T2 性能与组织影响 19 3.1 材料预处理 . 19 3.2 拉拔冷变形对工业纯铜性能和组织影响 . 20 3.2.1 拉拔冷变形对工业纯铜硬度和导电率影响 20 江苏科技大学工学硕士学位论文 VI 3.2.2 拉拔冷变形对工业纯铜晶粒取向以及织构影响 23 3.2.3 拉拔冷变形对工业纯铜晶粒尺寸影响。 27 3.2.4 拉拔冷变形对工业纯铜晶界影响 . 29 3.3 本章小结 . 34 第 4 章 退火工艺对工业
18、纯铜 T2 性能与组织影响 . 35 4.1 退火冷却方式对工业纯铜性能和组织影响 . 35 4.2 退火时间与温度对工业纯铜性能和组织影响 38 4.2.1 退火时间与温度对工业纯铜硬度及导电率影响 38 4.2.2 退火工艺对工业纯铜晶粒取向以及织构影响 . 43 4.2.3 退火工艺对对工业纯铜晶粒尺寸影响 . 46 4.2.4 退火工艺对对工业纯铜晶界影响 48 4.3 本章小结 . 52 第 5 章 单步拉拔变形和退火工艺对工业纯铜性能和组织影响 54 5.1 单步拉拔变形和退火对工业纯铜性能影响 . 54 5.2 单步拉拔变形和退火对工业纯铜晶粒度影响 . 55 5.3 单步拉拔变
19、形和退火对工业纯铜晶粒取向以及织构的影响 . 56 5.4 单步拉拔变形和退火对工业纯铜晶界的影响 . 58 5.5 单步拉拔变形和退火对工业纯铜拉伸的影响 . 60 5.6 本章小结 . 61 第 6 章 两步拉拔冷变形和退火工艺对工业纯铜性能和组织影响 63 6.1 两步拉拔变形和退火对工业纯铜性能影响 . 63 6.2 两步拉拔变形和退火对工业纯铜晶粒度影响 . 64 6.3 两步拉拔变形和退火对工业纯铜晶粒取向以及织构影响 . 65 6.4 两步拉拔变形和退火对工业纯铜晶界影响 . 67 6.5 两步拉拔变形和退火对工业纯铜拉伸的影响 . 70 6.6 本章小结 . 71 结 论 72
20、 参考文献 74 攻读硕士学位期间发表的文章 78 致 谢 79 CONTENT VII CONTENT Abstract in Chinese Abstract . 错误 !未定义书签。 Chapter 1 Introduction . 1 1.1 Development of grain bounrdary engineering . 1 1.2 Grain bounrdary engineering types 3 1.2.1 Grain bounrdary engineering based on annealing twin 3 1.2.2 Grain bounrdary engin
21、eering based on texture . 4 1.2.3 Grain bounrdary engineering based on situ self-coordination 5 1.2.4 Grain bounrdary engineering based on alloying . 5 1.3 Grain bounrdary engineering treatment . 5 1.4 Grain bounrdary engineering research at home and abroad 6 1.4.1 304 stainless steel 6 1.4.2 Nickel
22、 and nickel based alloy . 7 1.4.3 Aluminum and aluminum based alloy 8 1.4.4 Plumbum and plumbum based alloy . 8 1.5 Grain bounrdary engineering used in copper and copper based alloy . 8 1.6 The significance of this subject 9 1.7 Experiments content . 11 Chapter 2 Experiment contents and methods . 错误
23、 !未定义书签。 2.1 Experiment principles 错误 !未定义书签。 2.1.1 Free forging . 错误 !未定义书签。 2.1.2 Drawing . 错误 !未定义书签。 2.2 Experiment material . 错误 !未定义书签。 2.3 Experiment material treatment . 错误 !未定义书签。 2.3.1 Sample pre-treatment 错误 !未定义书签。 2.3.2 Single-step drawing and annealing . 错误 !未定义书签。 2.3.3 Two-step drawi
24、ng and annealing 错误 !未定义书签。 2.4 Experiment standard and instruments 错误 !未定义书签。 2.5 Experiment analysis methods 错误 !未定义书签。 2.5.1 Hardness test . 错误 !未定义书签。 2.5.2 Conductivity test . 错误 !未定义书签。 2.5.3 Stretching test 错误 !未定义书签。 2.5.4 Electric polishing 错误 !未定义书签。 2.5.5 EBSD analysis 错误 !未定义书签。 Chapter3
25、 The effect of drawing on properties and microstructure of copper错误 !未定义书签。 3.1 Material pre-treatment . 错误 !未定义书签。 3.2 The effect of drawing on properties and microstructure of copper 20 3.2.1 The effect of drawing on hardness and conductivity of copper 20 3.2.2 The effect of drawing on texture of
26、copper . 错误 !未定义书签。 3.2.3 The effect of drawing on tgrain size of copper . 错误 !未定义书签。 江苏科技大学工学硕士学位论文 VIII 3.2.4 The effect of drawing on grain boundary distribution of copper错误 !未定义书签。 3.3 Chapter conclusion . 错误 !未定义书签。 Chapter4 The effect of annealing on properties and microstructure of copper错误 !
27、未定义书签。 4.1 The effect of cooling mode on properties and microstructure of copper错误 !未定义书签。 4.2 The effect of annealing time and temperature on properties and microstructure of copper 错误 !未定义书签。 4.2.1 The effect of annealing time and temperature on hardness and conductivity of copper 错误 !未定义书签。 4.2.2
28、 The effect of annealing time and temperature on texture of copper错误 !未定义书签。 4.2.3 The effect of annealing time and temperature on grain size of copper错误 !未定义书签。 4.2.4 The effect of annealing time and temperature on grain boundary distribution of copper 错误 !未定义书签。 4.3 Chapter conclusion . 错误 !未定义书签。
29、 Chapter5 The effect of single-step drawing and annealing on properties and microstructure of copper . 错误 !未定义书签。 5.1 The effect of single-step drawing and annealing on properties and microstructure of copper 错误 !未定义书签。 5.2 The effect of single-step drawing and annealing on grain size of copper错误 !未
30、 定义书签。 5.3 The effect of single-step drawing and annealing on texture of copper错误 !未定义书签。 5.4 The effect of single-step drawing and annealing on grain boundary distribution of copper 错误 !未定义书签。 5.5 The effect of single-step drawing and annealing on stretching of copper . 60 5.6 Chapter conclusion .
31、错误 !未定义书签。 Chapter6 The effect of two-step drawing and annealing on properties and microstructure of copper . 错误 !未定义书签。 6.1 The effect of two-step drawing and annealing on properties of copper错误 !未定义书签。 6.2 The effect of two-step drawing and annealing on grain size of copper错误 !未定义书签。 6.3 The effec
32、t of two-step drawing and annealing on texture of copper错误 !未定义书签。 6.4 The effect of two-step drawing and annealing on grain boundary distribution of copper . 错误 !未定义书签。 6.5 The effect of two-step drawing and annealing on stretching of copper . 70 6.6 Chapter conclusion . 错误 !未定义书签。 Conclusion 错误 !未
33、定义书签。 References . 错误 !未定义书签。 Dissertation published during studying for master degree 错误 !未定义书签。 Acknowledgments 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 在人类文明历史的发展过程当中，材料一直处于举足轻重地位，每一次的社会进步都与材料的革新与发展密切相关。在工业高速发展的今天，材料更是扮演着重要的角色。科学技术发展 到现阶段 ， 材料方面研究主要集中于多晶体领域 。晶界作为 多晶体材料主要结构组成部分，其结构和性质将直接影响材料的力学、物理以及化学等性能。如
34、通过影响晶界迁移，晶界溶质原子偏聚等过程达到影响材料性能的目的。因此通过合适处理手段控制多晶体材料晶界结构，从而有效改善材料综合性能已成为多晶体材料研究新兴 领域 。 随着科学发展，此研究热点已发展成一 独立研究方向，即晶界工程设计与控制。 随着电子背散 射衍射技术（ EBSD1）的发展与成熟，晶界工程 技术在 改善材料 综合 性能 方面显现出巨大 的优势与潜力 ，使得其在材料各个研究领域都发挥着重要而积极的作用。近些年来国内外关于晶界工程研究都有着飞速的发展并取得了一系列显著成果。晶界工程最大优势在于它通过设计控制晶界有效提高金属材料抗晶界失效能力， 使得这项技术在解决传统金属材料晶界失效问
35、题显示出巨大运用潜力。目前此领域取得的研究成果 有 ：通过晶界特征分布优化可提高 304 不锈钢的耐应力腐蚀能力 2；晶界工程处理过后得到的 超级钢具有高强度、高韧性以及超均匀细化等力学性能以及显微组织特征，并且有效减少了材料中 S、 P、 O、 N 等降低材料性能元素的含量 3； 将晶界工程技术运用在 Pb-Ca 基合金可将其晶界抗腐蚀 能力提高一倍 。使用 Pb-Ca 基合金 制作的铅酸蓄电池阳极板栅可 成倍提高电池循环充放电次数，有效延长电池寿命 4。除此之外，晶界工程在解决材料蠕变、应力腐蚀、晶界氧化等晶界失效问题上都发挥了积极的作用 5-9。近些年，随着超导材料研究的逐渐深入，晶界工
36、程控制与设计在超导领域的使用也取得了不错成果 10。 1.1 晶界工程发展 历程 晶界工程概念的正式提出是在 1984 年， 但 实际上在 20 世纪 50 年代末就已经有了晶界工程相关研究。 Aust 和 Rutter11在研究高纯铅金属时发现，将纯铅金属加热到 300 时，某些特殊晶界的迁移速率是一般大角度晶界迁移速率一百多倍。这一发现为多晶体晶界性能研究指明了新的研究方向。 研究 定义 这些特殊晶界为具有低 值的重位点阵晶界。重位点阵（也称为相符点阵或重合位置点阵） 简称为 CSL（ Coincidence Site Lattice）点阵 12，其 定义 为： 当 某点阵江苏科技大学工学
37、硕士学位论文 2 按照某转换关系转换后与另一点阵完全重合时将 某点阵称为重位点阵。 值指材料内部重位点阵单胞体积与晶体点阵单胞体积比值， 值越大说明重位点阵密度越小 ，一般低 值指 29。 到 20 世纪 80 年代，大量研究 13表明具有低 值重位点阵晶界与一般大角度晶界相比具有某些特殊性能与特点。例如， 低扩散率、晶界溶质原子偏析较少以及由于偏析较少使得晶界获得低滑动率等特殊晶界性能。 1984 年Watanabe14在总结前人实验研究结果的基础上第一次提出了 晶界工程 概念：某些多晶体材料中总是存在一些与大角度晶界不同的低 （ 29） CSL 晶界，这些特殊晶界 使得 材料 具 有高抗开
38、裂能力、耐腐蚀性等特殊的性质。 简单来说，晶界工程控制与设计就是通过对材料进行不同程度变形以及合适的热处理工艺处理来改变金属材料中特殊晶界的数量以及分布，从而有效改善材料的各项性能。 1991 年 Palumbo4经过建立数学模型得出只有当低 值 CSL 晶界在整个晶界占有比例较高时，材料晶界才会明显的显现出高抗晶界失效的特征，从而进一步推动了晶界工程研究的发展。 1995 年 Lin15等人第一次成功实验证明通过晶界工程控制与设计可有效提高传统金属块状材料晶界耐蚀性能。 随后 Randle16,17在总 结前人实验研究基础上，再次肯定了晶界工程设计与控制对材料发展的重要意义，并首次提出了 3
39、再生模型。该理论模型较好的解释了 3 晶界产生的原因以及其在材料内部演变机制。 随着晶界工程技术进一步发展， Lehockey18在 2004 年首次提出了 有效特殊晶界 概念。 有效特殊晶界指的是位于一般大角度晶界网络上的低 值 CSL 晶界 。由于这些特殊晶界的存在能有效打断一般大角度晶界网络，使得材料内部产生的裂纹源无法沿一般大角度晶界扩展继续，从而提高材料抗晶界失效能力。一般 所指特殊晶界满足两个条件，第一： CSL 点阵的 值必 须不大于 2919；第二：彼此相邻晶粒位相差 必须满足 Palumbo-Aust 标准或者 Brandon 标准 20。 Palumbo-Aust 标准为
40、15-5/6。 Brandon 标准为 15-1/2。非特殊晶界（一般晶界）则是指 大于 29 以及非 CSL 晶界。 普遍认为特殊晶界 即 低 （ 29） 值 CSL 晶界 都 具有提高 材料晶界 性能 特殊行为 ， 不同低 值 CSL 晶界性质不同，如 3 晶界能量较低，不可迁移； 7 晶界能量比一般大角度晶界要低且杂质析出少。 但也有研究表明，不是所有的特殊晶界在任何条件下都具有提高 材料抗晶界失效的能力。例如，当奥氏体不锈钢中存在 9 晶界时能较好的抵抗一般晶界腐蚀，但当其处于应力腐蚀条件下时，耐蚀性能出现明显下降 21。这表明晶界工程优化材料晶界的效果需要多方面检测才能最后确定。 目
41、前人们常采用的晶界控制与设第 1 章 绪论 3 计方法为：通过改变合金化、合适的形变以及合理的热处理工艺来提高材料中有效特殊晶界比例，并且优 化晶界特征分布，打断材料沿大角度晶界扩展的失效行为，从而显著提高材料的抗力。 1.2 晶界工程分类 根据晶界工程控制与设计的基本原理将晶界工程基本分为四类，分别为基于退火孪晶晶界工程、基于织 构晶界工程、基于原位自协调晶界工程以及基于合金化改善晶界特性晶界工程。目前在这四类晶界工程中，基于孪晶的晶界工程 研究最为深入， 使用范围最广，且取得成果最多 。 1.2.1 基于退火孪晶晶界工程 通常晶界工程对晶界控制与设计是通过形变加热处理工艺来实现的，也有通过
42、合金化途径来实现对晶界特征分布的优化。 基于退火孪晶的晶界 工程主要针对能在退火过程中形成大量退火孪晶的中低层错能面心立方 金属，如镍基合金、奥氏体不锈钢 等。因为这类合金中的位错在冷变形过程中很难以交滑移的方式进行滑移， 多以孪生的方式发生变形，即在晶粒内部产 生大量孪晶组织。孪晶的存在将进一步阻碍位错的滑移，晶粒内部能量升高，存在较大内应力，导致材料出现加工硬化现象。金 属材料内部由于变形加工产生较高的应变能，将为随后热处理过程中晶界行为的发生提供驱动能 16。这也是基于退火孪晶 的晶界工程为什么采用变形加热处理工艺来实现的原因。 基于退火孪晶的晶界工程原理为通过变形及热处理在晶粒内部一般
43、大角度晶界网络位置引入大量低 值 CSL 晶界，其中 3n（ 1n3）晶界彼此之间按照3n+3n+13 或者 3n+3n+1=3n+2 生成大量 3、 9、 27 晶界， 有效 阻断大角度晶界连通性，使得晶界失效行为无法沿大角度晶界继续扩展， 从而达到优化晶界特征分布的目的 22， 23。 但 Randle24认为 3n 晶界应该按照 3n+3n+13方式发生反应。他提出如果按照 3n+3n+1=3n+2 发生反应，具有较低能量的 3晶界不可能与其他 低能量 晶界反应生成 高 能量 晶界。 3 晶界具有能量较低、迁移率低等特点使得其能在材料内部稳定存在，符合材料内部结构总是向能量减少的方向发展
44、趋势。 Randle 的理论很好的解释了经过晶界控制与设计的材料内部低 CSL晶界总是以 3 晶界为主 的原因。 Lin25等人通过实验证明， 用 3 再生机制能很好的解释 传统金属材料通过晶界工程技术处理后晶粒内部 出现大量低 值 CSL 晶界，且 绝大部分低 值CSL 晶界为 3 晶界 这一现象。 同时他还指出 当 3 晶界比例超过 40%后材料晶界结构以及性能将主要受到 3n（ 1n3）晶界之间的互相作用的影响。 通过 其江苏科技大学工学硕士学位论文 4 他 实验 ， Lin 等人还证 明当金属材料晶粒内部孪晶比例达到 66.7%时，晶粒内部低 值 CSL 晶界基本全部为 3 晶界，这些
45、位于一般大角度晶界位置的有效特殊晶界成功破坏原有晶界网络完整性，提高材料抗晶间时效能力 26。 某些材料通过 合金化过程 能有效实现晶界控制与设计。这是因为合金化过程能进一步降低材料层错能，使得材料在退火过程中形成更多退火孪晶，从而引入更多 有效特殊晶 界，优化材料晶界特征分布。 目前对 于 基于退火孪晶晶界工程研究较多， 在许多传统金属材料上都有一定运用，如镍基合金、奥氏体不锈钢以及铜合金。 其实验成果已成功运用于生产实践当中，显示出巨大的生产与市场潜力。 1.2.2 基于织构晶界工程 材料的性能与微观组织以及晶体结构密切相关。前面提到低层错能面心立方金属的晶界设计与控制主要是基于退火孪晶原
46、理。对于高层错能面心立 方合金，如铝合金来说，主要是依靠基于织构原理。 与基于退火孪晶晶界工程实现途径一样，基于织构晶界工程同样通过合金化、合适的变形以及 热处理达到优化材料晶界特征分布的目的。通过这些途径在金属材料中产生一种或几种高强度织构。织构的存在 表明 晶粒内部存在晶粒择优取向现象 。当 织构中某些晶粒位向关系符合重位点阵 位向关系时 ， 意味着织构形成的同时也形成了大量具有低 值的特殊有效晶界， 形成的特殊晶界将改善材料抗晶界失效能力。 与基于退火孪晶晶界工程 产生的低 值 CSL 晶界主要为 3 晶界 不同的是，基于织构的晶界工程 随着材料内部织构 类型的不同， 低 值 CSL 晶
47、界种类也不同。 Watanabe27和王轶农 28在对高层错能面心立方金属研究时都发现了类似的规律。 Watanabe 通过研究发现 ， 1、 5、 13 和 15 等低 值 CSL 晶界主要出现于仅存在单一 100强织构的材料中。 而高比例的 1、 3、 9 和 19 等特殊晶界则出现在仅存单一 110强织构的材料当中。而王轶农的研究表明当材料中存在强 123 634 S 织构以及强的 100 001立方织构时，材料内部特殊低 值 CSL 晶界主要为 7 晶界，由于 7 晶界具有晶界能量较低、杂 质偏析少、迁移率高等特点，使得其起到提高材料抗晶界失效能力的作用。这些研究都充分说明随着材料内部
48、形成的织构类型的不同， 材料中起到提高抗晶界失效能力作用的特殊晶界也是不同的。但总的来说，无论是基于退火孪晶的晶界工程，还是基于织构的晶界工程，都是通过合适的实现途径使材料内部产生大量的低值 CSL 晶界，有效阻断一般大角度晶界，抑制晶界行为的扩展。 根据前面的叙述可知，高层错能面心立方金属的晶界控制与设计可以通过基于织构的晶界工程来实现。但材料内部存在高强度的织构时将导致材料性能第 1 章 绪论 5 的各向异性，对于使用要求较高的材料而 言，各向异性是十分不利的。因此 基于织构的晶界工程在运用上受到了一定的限制，不如基于退火孪晶的晶界工程运用广泛。 1.2.3 基于原位自协调的晶界工程 基于原位自协调晶界工程是最近几年刚刚在晶界研究领域中兴起的。基于退火孪晶以及基于织构的晶界工程针对的主要是面心立方金属的晶界控制与设计。而基于原位自协调晶界工程主要针对的是体心立方金属。其原理主要为：通过热处理工艺 使得体心立方金属中某些晶界发生原位自协调转变成为特殊晶界。 Lejeck29,30等人提出 发生原位自协调转变的 晶界 主要 为初次再结晶过后大量存在的 100晶带族内的倾侧对称或非对称一般大角度晶界，例如 0hl、0k1l1/0k2l2。经过热处理后这些倾侧对称或非对称大角度晶界转变为
