Ｂｉ偏聚对［００１］对称倾侧Ｃｕ双晶晶界脆性的影响李广海，张立德（中国科学院固体物理研究 所，合肥２３００３１）摘要使用定向生长的［００１］对称倾侧Ｃｕ双晶，研究了Ｂｉ偏聚对Ｃ ｕ双晶断裂行为和晶界脆性的影响．结果表明：Ｃｕ－Ｂｉ双晶的断裂行为和断裂应力强烈地依赖 于晶界的取向差，而与晶界的重位点阵密度无关，其晶界脆性取决于未偏聚Ｃｕ双晶晶界的能量． 晶界的能量越大，晶界脆性越强．这种依赖关系可由Ｂｉ在不同晶界的选择性偏聚解释．关键词Ｃ ｕ双晶，［００１］对称倾侧晶界，Ｂｉ偏聚，
断裂应力，晶界脆性实验和理论都表明：即使浓度 很低的Ｂｉ都可能偏聚到Ｃｕ晶界而使其变脆，其断裂应力依赖于晶界的结构，Ｂｉ的偏聚量可因 晶界而异，晶界脆性与Ｂｉ在不同晶界结构中的选择性偏聚有关［１－６］．然而。关于Ｃｕ－Ｂ ｉ双晶的断裂行为和晶界脆性的决定因素问题，特别是和晶界的重位点阵密度的依赖关系仍然缺少 系统性的研究。本文采用定向生长的｜００１｜对称倾侧Ｃｕ双晶，研究晶界Ｂｉ偏聚时Ｃｕ双晶 断裂行为和断裂应力的影响，探讨晶界脆性与晶界结构、晶界的重位点阵密度以及晶界能量的依赖 关系。１实验方法用垂直Ｂｒｉｄｇｍｄｄｎ斤法生长了１２种不同晶界取向差的｜００１｜对称 倾侧Ｃｕ双晶，所用的是在石墨坩锅中的双子晶技术。双晶的晶界取向差（θ）．生成函数（∑） 和晶界面分别为：８．１７°∑１９７（小角晶界），１６．２６°∑２５（７１０），２２．６ ２°∑１３（５１０），２８．０７°∑１７（４１０），３６．８７°∑５（３１０），４３． ６０°∑２９（５２０）．４６．４０°∑２９（７３０）．５３．１３°∑５（２１０），６１ ．９３°∑１７（５３０），６７．３８°∑１３（３２０），７３．７４°∑２５（４３０）和 ８１．８３°∑１９７（小角晶界），原材料的纯度为９９．９９９％。用Ｘ射线测角仪检测所生 长双晶的倾侧轴和晶界取向差的误差，两者的误差均小于±１°。实验所用的拉伸试样用电火花切 割机从大块双晶中切取。试洋的截面面积和标距长度分别为２×４ｍｍ和８ｍｍ，拉伸轴垂直于晶 界面，观察面为倾侧轴方向。将上述双晶的拉伸试样以及０．０５ｗｔ－％的Ｂｉ（９９．９９９ ％），互不接触地一齐密封在一个抽了真空的石英管中，首先在９９０℃退火１０ｈ，通过在Ｂｉ 的饱和气氛下的扩散退火使Ｂｉ均匀地扩散进试样，然后空冷，随后在５５０℃脆化处理２４ｈ并 随炉冷却至室温，使Ｂｉ平衡地偏聚到晶界。通过拉伸试验测定Ｂｉ偏聚Ｃｕ双晶的断裂应力，每 个试验点至少使用三个试样，本文通讯联系人：李广海，副研究员，合肥（２３００３１）中国科 学院固体物理研究所拉伸试验在万能材料试验机上进行．应变速率为１．０４×１０－３ｓ－１。 用扫描电镜观察试验后拉伸试样的形变、断裂和断口的形貌２结果和讨论图１展示了三种不同断裂 方式Ｂｉ偏聚Ｃｕ双晶（以下简体力Ｃｕ－Ｂｉ双晶）拉伸试样的应力－应变曲线，图２是Ｃｕ－ Ｂｉ双晶的拉伸断裂应力和晶界取向差间的依赖关系。由图２可以看出，随着晶界取向差（θ）的 增大，Ｃｕ－Ｂｉ双晶的断裂应力降低，断裂方式由穿晶断裂经沿晶撕裂向沿晶脆性断裂转变。∑ １９７（小角度品界）和∑２５Ｃｕ－Ｂｉ双晶对于沿晶断裂具有很大的阻力，这些Ｃｕ－Ｂｉ双 晶的断裂应力与相应的纯Ｃｕ双晶很接近，为穿晶断裂，断裂前可观察到很强的滑移。最终试样沿 着滑移带剪切断裂，如图１曲线ａ所示；而∑１３和∑１７Ｃｕ－Ｂｉ双晶为沿晶撕裂，断裂前可 观察到一定量的塑性形变以及滑移在晶界处的严重塞积，并由此引起应力在晶界处集中，最终导致 晶界被撕开，如图１；曲线ｂ所示；对于脆性很强的∑５和∑２９Ｃｕ－Ｂｉ双晶则为完全的沿晶
脆性断裂，断裂发生在弹性形变的早期阶段，这种断裂是由于Ｂｉ偏聚而被弱化了的原子键的断裂 ［４］．如图１曲线ｃ所示．断裂应力越低，表明晶界脆性越强。值得注意的是：（１）
穿晶断裂 （∑１９７和∑２５Ｃｕ－Ｂｉ双晶）和沿晶脆性断裂（∑５和∑２９Ｃｕ－Ｂｉ双晶）的断裂应 力值之间相差近十倍，表现出十分明显的结构效应；（２）断裂应力值的大小与晶界的重位点阵密 度的高低（１／∑没有依赖关系，表明传统的晶界重位点阵密度概念难以反映｜００１｜对称倾侧 Ｃｕ－Ｂｉ双晶的晶界脆性问题；（３）所有的沿晶脆性断裂具有几乎相等的断裂应力（∑５和∑ ２９Ｃｕ－Ｂｉ双晶），表明对应的晶界已经破Ｂｉ完全脆化；（４）相同重位点阵密度的Ｃｕ－ Ｂｉ双晶具有相同的断裂方式和用近的断裂应力，亦即断裂应力与晶界取向差关系曲线以４５°角 为对称轴。图３为Ｃｕ－Ｂｉ双晶沿晶断口的扫描电镜形貌，其中图３ａ为沿晶撕裂，位错滑移线 清楚可见；图３ｂ为沿晶脆性断裂，断裂表面未观察到位错滑移的痕迹。而在晶界面上观察到了大 量的有规则排列的晶界小面和台阶，这些晶界小面和台阶具有确定的晶体学取向关系［５，６］上 述实验结果表明：｜００１｜取向对称倾侧Ｃｕ－Ｂｉ双晶的断裂应力强烈地依赖于晶界的结构． 这种依赖关系不是晶界的重位点阵密度，而是晶界的取向差，随着晶界取向差的增加（＜４５°） 或减小（＞４５°）Ｃｕ－Ｂｉ双晶的断裂应力降低。晶界脆性增加。根据前文的研究［５，６］ 。晶界断裂应力的大小，亦即晶界脆性的高低．依赖于晶界Ｂｉ的偏聚浓度，而后者决定于双晶Ｂ ｉ的体浓度以及Ｂｉ杂质原子和晶界之间的结合能（偏聚的驱动力）［７］。晶界中原子的排列畸 变较大，杂质原子容易在晶界偏聚导致晶界能量剧烈降低．晶界处原子的畸变越大，晶界的能量也 就越高。因此，条质原子偏聚的驱动力应与晶界的能量有关。图４为｜００１｜取向对称倾侧Ｃｕ 双晶晶界的能量和晶界取向差的依赖关系［８］。比较图２和图４可以清楚地看出，晶界的能量越 高，晶界的断裂应力越低，晶界的脆性也就越强，表明晶界的脆性与晶界的能量具有相同的依赖关 系，并和晶界能量成正比。由此，不难理解图２晶界的断裂应力和晶界取向差的依赖关系。∑１９ ７（８．１７°）和∑２５（１６．２６°）两个双晶为小角度晶界。晶界原子的畸变较小，晶界 的能量也很低，因此，Ｂｉ在晶界偏聚的能力很小，Ｂｉ原子的浓度也就很低，晶界的强度高于对 应单晶体的强度，表现为穿晶断裂。随着晶界取向差的增加，晶界原子的畸变增大，晶界的能量增 大，晶界Ｂｉ偏聚的能力增强。对于∑１３（２２．６２°）和∑１７（２８．０７°）两个双晶 ，在相同的脆化处理时间，Ｂｉ在晶界的偏聚浓度已经很高，晶界的强度已经很低，但尚未被完全 脆化，必须借助于位错滑移在晶界处塞积而引起的应力集中，使晶界最终被撕开。而对于∑５（３ ６．８７°）和∑２９（４３．６０°）两个双晶，晶界Ｂｉ的偏聚浓度已经达到了饱和，晶界巳 被完全脆化，表现为沿晶脆性断裂。３结论［００１］取向倾侧对称Ｃｕ－Ｂｉ双晶的断裂应力和 断裂行为依赖于晶界的取向差，与晶界的重位点阵密度无关，晶界脆性与Ｂｉ偏聚前晶界的能量和 Ｂｉ在不同晶界的选择性偏聚有关。参考文献｜｜１ＦｒａｃｚｋｉｅｗｉｃｚＡ，Ｂｉｓｃｏｎ ｄｉＭ．ＪＰｈｙｓｉｑｕｅ，１９８５；４６：Ｃ４－４９７２ＲｕｓｓｅｌＪＤ，Ｗｉｎｔｅ ｒＡＴ．ＳｃｒＭｅｔａｌｌ．１９８５；１９：５７５３ＶｉｔｅｋＶ，ＷａｎｇＧＪ．Ｓｕｒ ｆＳｃｉ，１９８４；１４４：１１０４ＨｏｎｄｒｏｓＥＤ．ＭｃｌｅａｎＤ．ＰｈｉｌｏｓＭ ａｇ．１９７４；２９：７７１５ＬｉＧＨ．ＷｕＸＪ，ＣａｉＭ．ＱｉｕＱ，ＴａｎｇＱＨ．Ｓ ｃｒＭｅｔａｌｌＭａｔｅｒ，１９９０；２４：２１２９６ＷｕＸＪ，ＬｉＧＨ，ＣａｉＭ，Ｑ ｉｕＱ．ＴａｎｇＱＨ．Ｉｎ：ＷｕＢｅｄ．，Ｃ－ＭＲＳＩｎｔｅｒＳｙｍｐｏｓｉａＰｒｏｃ １９９０Ｂｅｊｉｎｇ，ＥｌｅｓｅｖｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９１； ５：７２３７ＷｈｉｔｅＣＬ，ＣｏｇｈｌａｎＷＡ．ＭｅｔａｌｌＴｒａｎｓ．１９７７；８Ａ ：１４０３８ＳｕｔｔｏｎＡＰ．ＢａｌｌｕｆｆｉＲＷ．ＡｃｔａＭｅｔａｌｌ，１９８７；３ ５：２１７７ＥＦＦＥＣＴＯＦＢｉＳＥＧＲＥＧＡＴＩＯＮＯＮＧＲＡＩＮＢＯＵＮＤＡＲＹＥ ＭＢＲＩＴＴＬＥＭＥＮＴＯＦＣｕＢＩＣＲＹＳＴＡＬＳＷＩＴＨ［００１］ＳＹＭＭＥＴＲＩ ＣＡＬＴＩＬＴＢＯＵＮＤＡＲＩＥＳ￥ＬＩＧｕａｎｇｈａｉ；ＺＨＡＮＧＬｉｄｅ（Ｉｎｓｔ ｉｔｕｔｅｏｆＳｏｌｉｄＳｉａｔｅＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃ ｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＢｉｓｅ ｇｒｅｇａｔｉｏｎａｔｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉ ｏｕｒａｎｄｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂ ｙｕｓｉｎｇｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＣｕｂｉｃｒｙｓｔａｌｓｗｉｔｈ ［００１］ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｔｉｌｔｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉ ｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｕｒａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｅ ｓｓｏｆＣｕ－Ｂｉｂｉｃｒｙｓｔａｌｓｄｅｐｅｎｄｓｔｒｏｎｇｌｙｏｎｔｈｅｍｉｓｏｒ ｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｉ ｓｎｏｔｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅｓｉｔｅｌａｔ ｔｉｃｅｏｆｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｂｕｔｔｏｔｈｅｕｎｓｅｇｒｅｇａｔｅｄｇ ｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｅｎｅｒｇｙ．ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｅｎｅｒｇｙ－ｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｒｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｃｏｕｌｄｂｅｅｘｐｌａｉｎｅｄｂｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｏｆＢｉａｔ
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