具有多重孪晶关系晶粒的集群及其界面网络的多维度研究

The grain boundary related properties can be greatly enchanced by exercising control over the population of special structure grain boundaries through grain boundary engineering (GBE). The grain boundary network (GBN) formed during GBE is featured by twin grain clusters produced by multiple twinning in face centered cubic materials with low stacking fault energy. The GBN is generally studied on a two-dimensional (2D) section, by which allow us to make assumptions about the three-dimensional (3D) GBN topology. A 2D characterization however does not contain all the information concerning the true 3D microstructure. In this proposed research, 3D study on the twin grain cluster and the associated grain boundary network topology will be carried out by serial sectioning method and the combining FIB and high speed EBSD technique. The compatible deformation behavior of the grains in the twin cluster will be studied by in-situ EBSD technique. The effect of the special GBN on the 3D propagations of intergranular corrosion and stress corrosion cracking will be investigated. Understanding the 3D GBN topology is necessary for modeling the 3D percolation behavior of the GBN to explain and predict the true 3D intergranular degradation phenomena.

晶界工程技术能够大幅提高材料中具有有序结构晶界的比例，达到提高材料性能的目的。在低层错能面心立方金属材料中，通过多重孪晶过程形成的孪晶晶粒集群及其构成的特殊结构晶界网络是晶界工程处理之后显微组织的重要特征，也是提高与晶界相关性能的原因。目前大多都是根据在二维截面上的分析研究来推测三维空间中的晶界网络拓扑分布。本申请项目拟通过连续截面法以及FIB和高速EBSD技术研究晶界工程形成的孪晶晶粒集群及其界面网络的三维空间拓扑分布，研究有特殊取向关系的晶粒间如何相互制约、协调变形的问题。研究晶界网络三维分布对晶界腐蚀扩展的影响，据此构建晶界网络的三维渗流模型。研究结果能够澄清晶界工程形成的特殊结构晶界网络真实三维空间分布，不仅为晶界工程技术提高材料性能的机制提供科学依据，也能据此构建数学模型来预测材料与晶界有关的性能，并为三维显微组织分析研究提供参考。

运用晶界工程处理中、低层错能面心立方金属材料时，多重孪晶形成的孪晶晶粒集群及其构成的特殊结构晶界网络是重要的显微组织特征，也是提高与晶界相关性能的原因。然而实际工程应用的金属材料大多都是块体，晶界在三维空间中相互连接构成晶界网络，其特征很难用一般的二维表征手段进行分析、描述，因此也很难将三维晶界网络与沿晶界扩展的材料破坏形式，比如晶间腐蚀、应力腐蚀开裂扩展等相关联。因此本项目通过连续截面法结合EBSD技术获得了多个316L不锈钢样品的3D-EBSD数据。自行撰写了大量MATLAB程序代码进行数据提取及分析，结合多种3D分析软件及可视化软件，研究了经晶界工程处理后的样品中的多重孪晶晶粒集群及其构成晶界网络的三维分布特征及其对应力腐蚀开裂扩展的作用机制。经研究得出了三维晶界网络中，晶界面的数量、晶界面积，晶粒的棱数、顶点数等参数与晶粒尺寸之间符合幂函数关系。经过晶界工程处理后的晶界网络中晶粒和晶界的上述几何形貌参数分布更加不均匀，这与晶界工程处理过程中发生多重孪晶有关。晶界工程处理后孪晶界交织在一起形成枝杈状，构成一些形貌十分复杂的孪晶集群，并且含有孪晶界的三叉交线、四叉交点的数量比例显著提高。而这些含有孪晶界三叉交线，四叉交点的位置与应力腐蚀开裂裂纹发生桥接及分叉的位置能够较好对应。三叉交线，四叉交点所涉及到的孪晶界数量越多，对裂纹扩展的抵抗能力越强，并建立了归类分析的方法模型。另外研究表明，在塑性变形时孪晶界两侧晶粒滑移对齐的概率更高能够更好的协调晶界两侧晶粒的变形，因此晶界工程处理后具有多重孪晶晶粒集群的显微组织在变形时应力集中更小，能够延缓应力腐蚀开裂扩展。本项目的研究结果澄清了晶界工程形成的晶界网络的三维拓扑分布，解析了应力腐蚀开裂沿晶界扩展时受到具有特殊取向关系晶粒的集群协调作用的规律。为应用晶界工程技术提高材料性能提供了科学依据，也为三维显微组织分析研究提供了参考。