1.3.3　晶界强化

晶界强化通常是指晶界对材料强度的影响既取决于晶界本身,更大程度上与晶界对位错运动的阻碍作用有关。相同条件下,晶粒尺寸越小,晶界所占体积越大,对位错运动的阻碍作用越明显,材料的强度、硬度越高。且晶界越多,对塑性变形的约束作用越强,材料的塑性变形越均匀,合金的塑性越好。同时晶界具有阻碍裂纹扩展的作用,减小晶粒尺寸可以有效提升材料的韧性。晶界强化是几种主要强化方式中唯一一种既能提升材料强度、硬度又能提升材料塑性、韧性的强化方式。

一般来说,晶粒内部原子呈周期性排列,但晶界和附近区域的原子则会偏离周期性排列。当温度较低时,晶界会通过阻碍位错的运动,从而产生位错塞积的方式对金属基体产生显著强化作用。而当温度较高时,晶界对位错的阻碍作用能被回复作用抵消,容易发生晶界附近的位错塞积与晶界附近的缺陷相互作用而消失的现象,从而使晶界强度发生明显下降。由此,当温度较高时晶界一般被看作是弱化部位,但可以通过向金属基体中加入适量的微合金元素消除杂质元素的方法提高晶界的纯净度,使晶界强化。除此之外还可以采用定向凝固技术和消除单晶技术来控制晶界,在熔炼过程中使金属材料在一定方向产生温度梯度,减少甚至消除金属基体中的横向(与外应力垂直的方向)晶界,从而有效提高合金的高温强度和高温抗蠕变性能。通过工艺手段使原本平直的晶界发生弯曲,能增加晶界对位错的阻碍作用,这也是有效的强化手段之一。