纯铜晶界工程中的晶界特征分布优化机制研究

Grain boundary engineering (GBE) can be used to improve the properties of polycrystalline material by controlling the grain boundary character distribution (GBCD). The basic processing method of GBE is thermal mechanical treatment (TMP), by which the proportion of special grain boundaries (mainly low Σ CSL grain boundaries) is increased and the connectivity of random grain boundary network is broken up. However, the application of the GBE is limited since the processing schedules of GBE are still largely empirical. The main content of this project is to study the microstructure in pure copper during single-step TMP processing and multiple-step TMP processing by TEM and EBSD, including the dislocation configurations, dislocation substructures and grain boundary structures. And further study of these microstructures by in-situ TEM will be taken to elucidate the evolution of these microstructures during the TMP processing. It is expected that the optimization mechanism of the GBCD in grain boundary engineering could be elucidated, which is of great importance for the further application of GBE.

通过晶界工程可以实现晶界特征分布的优化，特别是提高特殊晶界的比率、隔断自由晶界的连通性，从而达到控制和优化材料性能的目的，目前晶界工程已经在许多面心立方金属中取得了丰硕的成果，然而，由于对晶界工程中的晶界特征分布优化机制还并不清楚，目前在晶界工程形变热处理工艺的选择上更多的是依靠经验总结以及大量的实验摸索，因此限制了晶界工程的广泛应用。本项目以典型的面心立方金属多晶铜为研究对象，将主要利用TEM和EBSD以及相关的原位加热技术从不同尺度研究多晶铜在单步和反复形变热处理过程中的微观组织结构演化过程，包括晶界特征分布、位错组态、位错亚结构等，通过研究形变热处理工艺参数对晶界特征分布、位错组态和晶界结构的影响，揭示晶界工程中微观组织结构演化规律，阐明晶界工程中的晶界特征分布优化机制，进而为科学制定和优化晶界工程中的形变热处理工艺提供理论指导，为促进晶界工程的工艺发展及工程应用提供支持。

晶界工程主要是利用形变热处理工艺来调控材料中的晶界特征分布，从而改善多晶材料与晶界相关的各种性能。基于退火孪晶的晶界工程已经在许多面心立方金属中取得了丰硕的成果，目前关于晶界工程机制的研究侧重于晶界网络的几何拓扑结构方面，但是却忽略了晶界工程的形变热处理过程从本质上来说也是经过变形的金属中的组织结构在热驱动下发生演化的过程，导致形变热处理过程中的晶界特征分布优化机制还并不清楚，无法指导晶界工程工艺参数的选择。本项目以多晶纯铜为模型材料，研究了形变量和退火温度对晶界特征分布的影响规律，发现随着形变量的增加和退火温度的升高，组织转变行为会逐渐由晶粒长大和应变诱导晶界迁转变为再结晶，而应变诱导晶界迁移是最有效的优化晶界特征分布的方式；进一步利用准原位加热EBSD技术发现应变诱导晶界迁移是会在各高变形储能区域交替进行，使晶界在较大范围内发生迁移，从而提高特殊界比例，并通过晶界反应打断晶界网络。因此在确定形变热处理工艺参数时，应当选择促进应变诱导晶界迁移行为的变形量和退火温度，同时应该避免明显的再结晶行为。以此为指导准则，利用晶界工程方法改善了在304不锈钢的抗氢脆性能和Hastelloy X合金的耐腐蚀性能。