晶界与晶体塑性

本书从晶界与晶体塑性关系着手，基于原子尺度、纳观尺度、微观尺度、介观尺度和宏观尺度，系统介绍了晶界基本结构与晶体材料力学行为之间的关系，强调了晶界对于工程应用领域中的多晶体材料所具有的重要意义。本书共六章，第1章为晶界结构与缺陷，第2章为晶界变形的基本机制，第3章为冷变形晶界?，第4章为蠕变与高温塑性——晶界动力学，第5章为晶间疲劳，第6章为晶间偏析与晶体材料的断裂。

译者序

前言

第1章晶界结构与缺陷

11晶界平衡结构

111双晶体学的几何描述及要素

112用本征位错表示的晶界结构

113晶界原子结构——结构单元模型

114能量原子描述

12晶界的晶体缺陷

121点缺陷——晶间偏析

122线缺陷——非本征位错

123体缺陷——晶界沉淀

13结论

14参考文献

第2章晶界变形的基本机制

21临近晶界的位错

22位错与晶界间的弹性作用——镜像力

23位错和晶界之间的短程(或核心)作用

231位错滑移传播的几何准则和能量准则

232晶界处位错反应的基本机制

233位错和晶界之间相互作用机制的原子尺度模拟

234相互作用机制的实验观察

235与非本征位错相关的弹性应力场

24与非本征位错相关的应力场的释放

241晶界内的应力释放过程

242应力场随着释放时间的演化

243晶界应力释放现象的实验研究

244结论

25材料的基本界面机制与力学行为之间的关系

26参考文献

第3章冷变形晶界

31前言

32晶界塑性变形的协调性和不协调性

321概述

322双晶中变形不协调性的计算

33多晶晶粒中的内应力

331晶体塑性的概念以及在多晶模型中使用的单晶行为

晶界与晶体塑性

目录

332多晶中的内应力

333应力释放机制

34使用有限元法(FEM)模拟局部力学场

341多晶聚集体

342从单晶到多晶的有限变换

343本构硬化律参数的确定

344基于多晶模型的局部力学场的例子

35HallPetch定律及几何必须位错

351定义

352多晶中晶粒尺寸效应的模拟及与实验的比较

36变形和再结晶中的亚晶界和晶界

361变形亚晶界和晶界

362再结晶亚晶界

37结论

38参考文献

第4章蠕变与高温塑性——晶界动力学

41前言

42晶界与晶粒增长

421晶界动力学与晶粒长大定律

422晶界偏析与沉淀对晶界迁移的影响

43晶界和蠕变——相应机制和唯象定律

431晶界机制

432蠕变模型及动力学

433本构蠕变律和变形机制图

434蠕变模型的局限性、晶界化学组成和蠕变

44晶界与超塑性

441唯象理论与微观机制

442不同模型

443晶粒长大和超塑性变形

45展望:纳米材料的蠕变

46参考文献

第5章晶间疲劳

51前言

52低温晶间疲劳

521解释晶间疲劳所考虑的几种尺度

522α铁及其他体心立方(BCC)金属与合金的研究

523面心立方结构(FCC)金属及金属合金的晶间疲劳断裂

53高温疲劳

531概述

532奥氏体不锈钢

533镍基超合金

54结论

55致谢

56参考文献

第6章晶间偏析与晶体材料的断裂

61晶界与断裂

611断裂参数——不同类型的断裂

612晶间断裂

62晶间偏析

621偏析起源

622平衡偏析热力学——现存的模型

623晶间平衡偏析的一般特征

624非平衡偏析

625晶间偏析的不均匀性——晶界结构的影响

63偏析与晶间断裂

631晶间脆化机制

632从脆化偏析到强化偏析

64液态金属诱发的晶间断裂

641与液态金属接触发生的现象

642液态金属脆化

643晶间渗透

644CuBi体系的晶间扩散

645NiBi体系中的晶间润湿

646晶间渗透机制

647AlGa体系的例子

648结论

65总结

66参考文献

附录

附录A双晶体学及界面缺陷的拓扑表征

附录B第3章的附录

B1符号

B2无限小变形

B21塑性变形和转动

B3终极变换

B31几何变换

B32运动学

B4终极变换的不协调性

B5几何必须位错密度的计算

作者列表

这本书主要介绍了晶界在晶体材料的塑性行为中所扮演的重要角色。随着具有亚微米晶粒尺寸的材料(金属材料和陶瓷材料等)的使用和发展，理解晶界这种角色的需要与日俱增。从确实可行的模型到新的实验方法和模拟方法，本书描述了“晶界”物质与其对材料力学性能的贡献之间关系的科学状态。本书的作者都是在各自领域中秀的专家学者，他们向读者呈现了他们专业领域的全景画面，涉及从基础理论知识到新技术的发展。

以晶界的行为为出发点，然后追溯到晶界网络对一个多晶体材料塑性的贡献，这都需要采用多尺度的方法。这种多尺度的方法首先从原子尺度描述晶界，然后从纳观尺度和微观尺度详细描述点缺陷、位错缺陷和晶界之间的基本反应关系，终从介观尺度和宏观尺度来揭示材料的力学行为以及支配这些行为的基本定律。这些研究项目也需要物理方法、化学方法和力学方法的相互结合。

这些不同的方法并没有利用大量的数学公式进行讨论，而是在大量参考文献的支撑下进行的。对于定义、机理和理论模型的介绍都伴随有实验和数值模拟的描述，这对这些模型起到了很好的支撑作用。这些例子涉及各种形式的晶体材料，包括金属材料、金属合金材料、陶瓷材料和半导体材料等。这些性能涉及热变形、冷变形、蠕变、疲劳和断裂。

本书各章都保持自身的独立性，是获得某一具体领域基本知识的一篇很好的参考文献。然而，只有把这本书看作是一本完整的著作，才能使读者理解晶界在晶体塑性中所扮演的角色。本书分为如下6章。

第1章讨论了晶界的基本概念，包括它们的几何特征、基本结构和基本缺陷，这一章主要介绍了作为变形矢量的晶间位错。第2章详细介绍了在变形期间位错和晶界之间相互作用的基本过程以及所产生的相应应力的释放过程。第3章描述了变形期间在晶界及其临近区域所发生的变形和应力状态，讨论了材料的力学行为，并将其看作是晶粒尺寸的函数，该章也简要地介绍了再结晶现象。第4章至第6章连续讨论了如下问题：(1）晶界在蠕变、高温塑性以及超塑性中所扮演的角色。（2）双晶和多晶中遭受高温和低温疲劳时的晶界演化行为，主要涉及几种关键材料，如铁、不锈钢、铜和超合金等。（3)晶界对断裂的响应，尤其侧重于偏析对晶间脆性的影响，同时也强调了液态金属引起的脆化。

理解晶界对晶体塑性的影响还未曾作为一本专著的主题，而这一主题为控制材料的性能提供了一种思路与挑战。

Louisette Priester巴黎第十一大学2011年9月