晶界強化

晶界強化的本質在於晶界對位錯運動的阻礙作用，晶粒越細小，晶界越多，阻礙作用也越大，強化的效果越好。晶粒越細小，晶界越多，晶界可以把塑性變形限定在一定範圍內，使塑性變形均勻化，因此細化晶粒可以提高鋼的塑性。晶界又是裂紋擴展的阻礙，所以晶粒細化可以改善鋼的韌性，晶界強化是唯一能在提高鋼強度的同時，不損害其韌性的方法。

在高溫下形變時晶界表現為薄弱環節，呈沿晶破斷特徵。晶界區原子排列不規則，且存在各種晶體缺陷（如位錯、空位等）。在低溫形變條件下，晶界基本不參與形變，可以阻礙晶內位錯的運動，起強化作用。但隨著溫度的升高，晶界強度迅速下降，在某一溫度區間內晶界強度與晶內強度大致相當，當溫度繼續升高。晶界強度就比晶內強度低，該溫度即是等強溫度（T）。等強溫度與應變速率有關，應變速率愈慢，等強溫度愈低。由於高溫合金多在等強溫度區或更高溫度下使用，所以晶界強化是高溫合金的基本問題。

合金中應避免含有使晶界弱化的雜質元素．而應含有能有效強化晶界的微量元素。合金中加入微量的B、Zr、Hf、鹼土金屬（Ca、Mg、Ba）以及稀土元素可顯著地消除有害氣體和雜質元素的作用，強化晶界。

鹼土金屬和稀土元素的作用：這類金屬的化學活性高，與氧的親和力強，可以在合金的冶鍊過程中起良好的脫氧去氣作用。顯著地改善合金的晶界結構，起到強化晶界作用。

硼的作用：硼是高溫合金常用的晶界強化元素。硼的原子半徑略大於碳，能組成間隙固溶體的趨勢。硼在合金中的作用主要是在晶界偏聚造成局部合金化，顯著地改變了晶界狀態，降低了元素在晶界上的擴散過程而強化了晶界。硼還能影響合金中碳化物或一些金屬問化合物的析出，改善晶界上碳化物的密集不均勻狀態．因而對合金的熱強性有利。但過量的硼能形成低熔點共晶產物，其不利作用類似形成低熔點共晶的雜質。

實驗現象：實際使用的金屬材料絕大多數是多晶材料，試驗發現，多晶體的屈服強度明顯地高於同樣組成的單晶體，如下圖（a）所示。同一種多晶體材料中，晶粒越細，屈服強度越高，如下圖（b）所示。

原因解釋：晶體的屈服強度是使晶體開始發生滑移的最小分切應力的外在反映，屈服強度高，說明晶體中位錯滑移的啟動較困難。多晶體中不同位向的晶粒之間存在著晶界，晶界以及晶界兩側晶粒的位向差，都會增加位錯運動的阻力。這種阻力主要來自兩個方面，其一，晶粒位向不一致造成的阻力。對於一定取向的力軸，不同晶粒不可能都處於滑移的最有利取向上；同時各個晶粒不同滑移系中最有利取向的滑移系的取向因子，也不可能都是最大值；加之各個晶粒之間的相互制約，使得它不能在最有利方向上變形，使滑移阻力增加。其二，晶界本身的阻力。與晶粒內部相比，晶界上原子排列紊亂、不規則，伯氏矢量大，使滑移的臨界分切應力增加；同時雜質原子在晶界的偏聚或形成第二相顆粒沉積在晶界上，都會阻礙位錯運動。

晶體強化機制的實質就是阻止晶體中位錯的運動。在變形晶體滑移面上的位錯，往往成列地塞積在晶界或亞一晶界前，形成位錯塞積群。在雜質、第二相顆粒或不動位錯之前也會發生位錯塞積現象。位錯塞積群是位錯在運動中遇到阻礙，外力又不足以克服阻礙時形成的。位錯在晶界附近的塞積情況如下圖所示：

A晶粒和B晶粒的滑移系統分別是OP、PN，相交於晶界的P處，它們的位向差為θ，O是A晶粒的外力作用點。為方便起見，假定O在晶粒中心，可看做是滑移系OP上的位錯源。當外力在滑移繫上的分切應力τ達到晶粒本身的臨界分切應力τ時，位錯源開動，放出位錯。前面的位錯遇到晶界的阻礙，停止於P處，其應力場對後來的位錯產生排斥力，使之依次停止在某個平衡位置上而形成位錯塞積群。其中位錯的分佈情況是：離晶界越遠（即離位錯源O處越近）的位錯間的距離越大。

停止於晶界前邊的位錯，對晶界產生一個作用力，同時晶界也會對位錯施以反作用力，使P點處產生很大的應力集中。只有此處的應力τ足以克服晶界和兩晶粒位向差造成的阻力時，位錯才能通過晶界，A晶粒才會繼續變形。