单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。单晶体谈不上晶界，而多晶体的晶粒之间具有过渡区——晶界。晶界对多晶体材料的性能有诸多影响。这些影响主要表现在以下几方面。

1.对塑性变形的影响

多晶体的塑性变形除了具有单晶体变形的基本方式以外，还有晶界滑动和迁移等方式。在塑性变形过程中，晶界的主要作用如下。

（1）协调作用。多晶体在发生塑性变形时，其中的每个晶粒通过滑移或孪生而变形。当两个相邻晶粒的变形在晶界相遇时，晶界起着协调这两个晶粒变形的作用。换言之，这两个相邻晶粒在晶界处的变形必须是连续的或相同的，否则多晶体材料在晶界处会裂开。

（2）障碍作用。在室温或低温条件下，晶界原子偏离平衡位置，晶界点阵存在畸变，而且晶界处存在较多缺陷。这些缺陷和畸变对位错及其滑移有阻碍作用，因此滑移要越过晶界而在另一个晶粒内发生就比较难，滑移主要在晶粒内部进行。如图4.44（a）所示，多晶α-Fe在室温下拉伸时，因位错滑移在晶界受到阻碍，故晶界附近不易变形。而远离晶界处的强度低，直径显著减小。

（3）促进作用。在高温下，空位扩散更容易；而且位错还可发生攀移，甚至可绕过阻碍物。晶界处本身又有如空位、位错等缺陷。因此，在具备一定的温度条件时，空位扩散、晶界位错攀移及沿晶界的滑移相对来说比晶内更容易，故在高温应力作用下，晶界比晶内更容易变形。如图4.44（b）所示，多晶α-Fe在高温下的拉伸变形与低温时恰好相反。

晶界对材料塑性的促进作用还表现在材料的超塑性方面。当晶粒尺寸非常小的材料在较高温度下受到一个缓慢增大的载荷作用时，其永久变形能力大幅提高，远大于常规变形极限，而且变形均匀、不发生缩颈现象。这种特性称为材料的超塑性（superplasticity）。在这种情况下，金属材料的延伸率可达500%～2000%，有的无机非金属在断裂前延伸率可达800%。对超塑性的认识，多数观点认为由晶界与晶粒的转动所致。晶粒小、晶界多，晶界与晶粒的转动容易，故细晶结构是实现超塑性的先决条件。

图4.44　多晶αFe的拉伸试验结果示意图（引自潘金生，2011）

（4）起裂作用。位错在晶界受到的阻碍及晶界缺陷和点阵畸变等因素使晶界处存在一定的应力场和应力集中现象。而且，晶界处的原子处于能量较高的不稳定状态。所以多晶材料在变形过程中，容易从晶界处开裂（即沿晶断裂）。

总之，多晶体塑性变形具有多方式、多滑移、不均匀等特点。多方式是指室温和低温下的塑性变形以滑移、孪生为主；高温下的塑性变形以晶界滑动和迁移，以及点缺陷的定向扩散为主。多滑移是指晶界的协调作用可在一定程度上维持多晶体的完整性、使晶界不出现裂纹，每个晶粒至少要有五个滑移系统同时开动。实验发现，多滑移是多晶体塑性变形的一个普遍现象。不均匀是由于晶界的阻碍、约束作用使晶粒内的滑移大于晶界及其附近区域的滑移。经冷加工后的金属，其自由表面形成凹凸不平的“橘皮组织”即为不均匀变形的实例。

2.对屈服强度的影响

1950年代，人们通过实验发现许多金属（尤其是bcc结构的金属）的屈服强度和晶粒大小满足Hall-Petch关系：

式中，σy为屈服强度；σi为位错在晶粒内运动的摩擦阻力；Ky为与材料有关的常数；d为晶粒平均直径。此式适用于一些多晶纯金属（如Fe、Mo、Cr、Al等），以及晶粒大小在1.6～400μm的合金（如铁素体钢、一些铜合金）。式（4-105）表明晶粒越细，多晶材料的屈服强度越大。这也是多晶材料采用细晶强化（boundary strengthening）的一个原因。

对Hall-Petch关系的认识，有位错塞积和位错源两种典型的理论。因晶界对位错有阻滞效应，故在外力作用下，位错沿滑移面运动到晶界受阻而产生位错塞积。位错塞积理论认为，晶粒越细，阻碍位错滑移的晶界越多。只有提高外力，才能使位错运动越过晶界，或使邻近晶粒中的位错开动，产生塑性变形，即多晶材料抵抗变形的能力提高，强度得到了提高。

但在许多合金中未见到位错塞积，Hall-Petch关系仍适用，所以位错塞积理论不是唯一机制。位错源理论认为，晶界有许多台阶，可以萌生位错。晶粒越细，晶界多，萌生位错的地方多。位错在晶界处萌生、增殖，并产生相互作用。位错在这些作用力的影响下，运动滑移困难，提高了抵抗变形的能力，强度也会得到提高。按此分析，晶界的强度要比晶内高。这也是在晶界对塑性变形有障碍作用一节中提到的，晶内滑移较晶界容易的一个原因，如图4.44（a）所示。(www.daowen.com)

Hall-Petch关系在微米级多晶材料中获得了许多实验证实和应用。它也是引起人们研究纳米晶材料的众多原因之一。人们一直在研究Hall-Petch关系是否在纳米级范围也适用。理论研究表明，当晶粒尺寸小于临界尺寸时（Cu的临界尺寸约为19.3 nm），出现反Hall-Petch效应的现象。因晶粒越细、晶界越多、晶内部分越少。故在外力作用下，晶界滑移和晶界附近的形变将逐渐开始占主要作用，这有利于材料的韧化。由此可得出结论，细化晶粒是室温下最有效的强韧化措施。而在高温下，晶界不仅可以滑动，还有攀移发生，所以细晶强化不适用于高温。

3.对其他性能的影响

晶界原子排列较为混乱、缺陷多，容易产生晶界吸附或析出碳化物等物质的现象。对金属而言，晶界作为阳极，晶粒（或析出物）为阴极而产生电化学腐蚀。在其他腐蚀介质的作用下，多晶材料的晶界往往被优先腐蚀。做金相实验时，我们在抛光试样上滴加腐蚀剂，可在显微镜下观察到晶界和晶粒的形貌，就是利用这个原理。

晶界对电子有一定的散射作用，故此处的电阻比晶内高。

本章结语

点缺陷理论最初是从晶体物理中发展起来的。它的应用主要在功能材料方面。其中的热缺陷是热力学平衡的结果。一定量缺陷的存在可使材料系统的能量较低。位错理论主要是从冶金学领域发展起来的。位错对金属材料的力学性能有很大的影响。如今，这些缺陷在各类材料中都有应用，如点缺陷理论用于理解金属的氧化腐蚀；位错及滑移理论在理解无机非金属材料的塑性为什么较金属低等方面也有很大的帮助。虽然有些缺陷会使材料的性能恶化，但没有这些缺陷，同样也没有五彩斑斓的宝石、钢筋和不锈钢、半导体等。若真是这样，我们的生活可能比现在要逊色很多。

至于晶界，它是面缺陷的一种。晶界是相邻晶粒的边界。这些相邻晶粒的成分和晶体结构都相同，仅仅是晶粒取向不同而已。除晶界外，面缺陷还有堆垛层错、表面和界面等。其中表面以其独特的结构和性能而受到人们的关注，它对材料有着重要意义。

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