Bi元素偏聚引起Cu晶界脆化的微观机制

微量杂质元素在晶界偏聚有可能引起晶界脆化，导致金属材料的韧性和延展性降低，产生严重危害。本申请项目拟利用内耗技术对晶界微区杂质偏聚的高度敏感性，在晶界结构相同的前提下制备出含有不同浓度杂质元素（Bi）的纯铜双晶试样，通过内耗测量，考察不同浓度的杂质偏聚对不同类型晶界的内耗弛豫参量的影响，研究Bi原子偏聚对晶界滑动的影响机理。通过考察不同外部条件（温度，应力）下，晶界偏聚浓度随时间的变化规律，研究杂质偏聚浓度随时间变化的微观动力学机制。最终在原子尺度建立起Bi原子与晶界相互作用的物理图像，阐明Bi偏聚导致Cu晶界脆化微观物理机制。本项目的实施还将提供利用内耗手段来表征晶界溶质偏聚程度和实时测量杂质原子晶界偏聚情况随外应力等外部条件动态变化的技术。

微量杂质元素在晶界的偏聚可能导致结构材料宏观性质发生剧烈变化。微量铋元素在纯铜晶界的偏聚就能使纯铜力学性能显著下降，并可能产生沿晶断裂的严重危害。本项目利用内耗测量技术对微观晶界结构和晶界微区杂质偏聚的高度敏感性及对晶界的无损检测等优点，通过一系列的内耗测量，研究了不同浓度的铋原子偏聚对不同类型晶界的内耗弛豫参量的影响，对铋元素偏聚引起铜晶界脆化的微观机制进行了分析。. 首先本项目生长了一系列的不同取向差（包含小角度晶界，大角度无规晶界和大角度特殊晶界）的对称倾侧纯铜双晶试样。然后在晶界结构相同的前提下，使铋元素高温下扩散，通过控制扩散时间，制备出了三个系列含有不同浓度铋元素的纯铜双晶试样。实验结果表明，相比于小角度晶界和大角度特殊晶界，大角度无规晶界渗铋更容易，相同扩散时间内晶界铋浓度相对较高，说明高能量的大角度无规晶界结构无序度相对较大。而铋原子作为替代原子，更倾向于在大角度无规晶界中偏聚。 . 内耗测量发现，不同类型晶界的纯铜双晶试样的晶界内耗弛豫参量差别很大，这和前期纯铝双晶结果类似，多晶中很宽的内耗峰也可以归因于各种不同类型晶界内耗的叠加。渗铋后，除了晶界内耗弛豫峰，还在高温区出现了新的类似相变的内耗峰。而且，随着铋元素浓度的增大，晶界内耗峰逐渐被抑制。. 综合上述结果分析认为，铋元素作为替代原子，更容易在大角度无规晶界中偏聚，铋元素偏聚引起纯铜脆化可能主要是铋元素在多晶纯铜中的大角度无规晶界中严重偏聚引起。而铋能够引起强烈的晶界脆化效应的机制可能是铋原子在大角度无规晶界上形成了类似液态的薄膜，阻碍了晶界两侧铜原子之间金属键的形成。