非平衡晶界偏聚和晶间脆性断裂研究的进展

作者最近在国际权威性评论杂志Progress in Materials Science上发表了主要评述自己近20年来研究工作进展的长篇文章。在本文中作者阐述这篇文章所论述的一些新现象、新概念、新理论模型的内容、意义,以及提出它们时的科学背景。

等温保持状态下非平衡晶界偏聚动力学的研究

海军舰艇主机及核动力设备中 ,壁温在 5 70 - 5 90℃以及壁温为 5 4 0℃左右的蒸气管道和集箱用钢 ,长期在回火脆性温度范围服役 ,会由于磷的晶界偏聚而导致沿晶间的脆性断裂 .为此介绍了等温保持状态下磷的非平稳晶界偏聚动力学的研究进展 ,建立了非平衡偏聚过程和反偏聚过程动力学方程 ,依此可计算某一温度下任意时刻的晶界偏聚量 ,并求出对应最大偏聚量的临界时间 ,从而可以预报钢的晶界脆性 ,为钢的晶界脆性控制研究提供了依据 .

非平衡晶界偏聚理论在INCONEL 718合金研究中的应用

评述了国际上将溶质晶界偏聚领域的最新研究成果——非平衡晶界偏聚理论,用于INCONEL 718合金研究中所取得的最新进展。

磷元素的非平衡晶界偏聚对A690M海洋环境用钢耐海水腐蚀性能的影响

采用俄歇能谱分析了A690M海洋环境用钢在600℃回火过程中磷元素的晶界偏聚行为,结合极化曲线和腐蚀锈层的微观分析探讨了P元素晶界偏聚对A690M钢耐海水腐蚀性能的影响。研究表明:A690M钢中P元素的晶界偏聚符合空位-溶质原子复合扩散导致的非平衡偏聚机制;P的晶界偏聚含量越高,锈层内部越易形成层状磷疤坑,使板坯耐海水腐蚀性能降低。

锡的非平衡晶界偏聚临界时间确定

通过固溶处理和等温时效处理及冲击试验等简单方法,确定出连续冷却过程中残留元素Sn在低碳钢中发生的非平衡晶界偏聚及在不同温度下的临界时间tc。

计算材料学的一个新领域——非平衡晶界偏聚动力学计算

评述了计算材料学的一个新领域——非平衡晶界偏聚动力学计算,讨论了此动力学计算的理论基础、方法,以及所获得的结果和结果的意义。用速些计算方法,首次从实验上求得了空位与溶质原子复合体分别在低张应力状态和无应力状态下的扩散系数。

非平衡晶界偏聚的临界时间问题研究

以近期建立起来的非平衡晶界偏聚模型为基础,介绍了非平衡晶界偏聚动力学理论.该理论引入了临界时间概念,将等温过程中溶质原子的非平衡晶界偏聚动力学过程分为偏聚过程与反偏聚过程.对等温过程中的临界时间公式进行了理论分析与实验验证,证实了临界时间公式用于预测溶质原子非平衡晶界偏聚量达到极大值的恒温时间的准确性.并且研究了等温过程中的临界时间与连续冷却过程中的有效时间之间的区别和联系,将连续冷却过程等效为恒温过程,利用恒温动力学方程计算连续冷却过程中溶质原子的偏聚量.

加钛的镍铬钢回火脆性的锑非平衡晶界偏聚机理

回火脆性的溶质非平衡晶界偏聚机理的本质是溶质非平衡晶界偏聚的临界时间引起回火脆性的临界时间。在此基础上,研究了加钛的镍铬钢回火脆性的临界时间、回火脆性的极大值和充分回火后2.7J脆-韧转变温度随回火温度的变化,并结合锑的非平衡晶界偏聚量的测量结果,论述了加钛的镍铬钢中回火脆性的锑的非平衡晶界偏聚机理。

Ni-Cr钢中P的非平衡晶界偏聚现象

采用Auger电子能谱仪分析了经过1000℃淬火后600℃时效过程的Ni-Cr钢中元素磷的晶界偏聚浓度,得到晶界P的偏聚浓度随时效时间变化的动力学曲线。结果表明,Ni-Cr钢在600℃时效60 min时,P的晶界偏聚浓度出现极大峰值,与平衡晶界偏聚模型不符。利用溶质的非平衡晶界偏聚模型进行分析,证实这是由于钢中P的非平衡偏聚临界时间现象引起的。

在Ni_3Al中硼的非平衡晶界偏聚

在１０２３～１３７３Ｋ的初始温度范围和０．０５～２６８．９１Ｋ／ｓ的冷速范围内，用俄歇剖层分析确定了含硼Ｎｉ_３Ａｌ合金中硼的非平衡晶界偏聚行为。基于由空位在晶界湮灭所产生的体系自由能下降驱动可动的溶质－空位复合体向晶界迁移、从而产生溶质非平衡晶界偏聚的模型，导出了定量描述非平衡偏聚行为的解析表达式。理论计算结果与硼非平衡偏聚的试验数据相符。通过模拟实测确定Ｎｉ_３Ａｌ－Ｂ合金中硼及硼－空位复合体的扩散系数分别为：Ｄ＝１×１０￣（－６）ｅｘｐ［－１．９６（ｅＶ）／ｋＴ］和Ｄ_（Ｐ（Ｂ））＝１×１０￣（－）４ｅｘｐ［－１．９６（ｅＶ）／ｋＴ］（ｍ￣２／ｓ）；硼－空位复合体的结合能为Ｅ_（ｂ（Ｂ）＝０．５ｅＶ。

固体中应力产生和消除空位及非平衡晶界偏聚

确定固体内如何产生和消除过饱和空位,对于了解材料的许多物理过程是至关重要的,如固态扩散、晶界偏聚和超细晶材料的晶界稳定性等.晶界通常被认为是空位的源或阱.但是,在弹性应力场作用下,晶界有何变化仍然是不清楚的.提出了弹性范围内的压应力作用下晶界作为源会发射空位,张应力作用时晶界作为阱会吸收空位.这是除现在已公认的5种固体中产生和消除过饱和空位之外的第6种基本物理过程.在此基础上,建立了一套动力学方程,模拟Misra等人的张应力时效实验结果,证实了上述基本物理过程的存在.

低拉应力下12Cr1MoV钢中P原子的晶界非平衡偏聚

对低应力作用下12Cr1MoV钢中磷原子的晶界偏聚现象进行了俄歇能谱实验研究和动力学分析.实验获得了在30MPa拉应力作用下,磷原子在晶界处发生的非平衡晶界偏聚,临界时间是1h.分析表明,低拉应力极大地提高了磷-空位复合体在钢中的扩散速率,低拉应力引起的晶界变形对磷-空位复合体具有强烈的吸引作用.通过动力学计算给出了磷-空位复合体偏聚阶段扩散系数Dc和磷原子反偏聚扩散系数Di随时间变化的表达式.

镍基高温合金中温低塑性非平衡偏聚机理的实验研究

本文实验证实了GH3536合金中杂质硫的非平衡晶界偏聚,引起该合金的中温低塑性现象。其机理如下:合金高温固溶处理后淬火,然后在各个拉伸实验温度都恒温20分钟后拉伸,实验证实该合金中硫在500℃的非平衡偏聚的临界时间在20分钟左右,硫在此温度偏聚浓度达到峰值,引起塑性极小值。随着拉伸温度从500℃升高或降低,硫的临界时间都将越来越短于或长于20分钟,硫的晶界浓度都将降低,塑性也将升高,形成中温低塑性区。

2.25Cr1Mo合金高温低塑性的非平衡偏聚机理研究

以2.25Cr1Mo合金为研究对象,利用Gleeble热模拟试验机和Auger能谱仪(AES),研究了合金的高温低塑性发生机理。结果表明,合金高温低塑性发生在850℃附近,且塑性极小值对应着晶界杂质S偏聚浓度极大值。利用杂质S的非平衡晶界偏聚特征,解释了2.25Cr1Mo合金高温低塑性现象。

高温环境下钢的脆性断裂控制研究

通过实验,做出了2.25Cr1Mo和12Cr1MoV钢式样的非平衡晶界偏聚动力学曲线以及冲击温度曲线。通过对上述曲线的分析,得到了避免钢高温脆裂的方法,该方法就是使钢在逐渐韧化的安全期内服役。

12Cr2Mo1和12Cr1MoV钢的回火脆性研究

回火脆化是Cr-Mo钢最严重的失效形式。文中对12Cr2Mo1和12Cr1MoV钢进行低温系列冲击试验,确定其韧脆转变温度(DBTT)。结合P的非平衡晶界偏聚理论,分析回火脆性的主要影响因素。运用经验公式估算合金元素对钢的韧脆性能的影响,结果表明,P的含量大大影响了钢的脆性,而Cr、Mo等元素在抑制回火脆性方面具有重要作用。

变形条件对C-Mn钢力学性能的影响机理

借助Gleeble 3500热模拟试验机和Instron 8801试验机对一种C-Mn试验钢进行了高温和室温拉伸试验,测量和计算了试验钢的力学性能,观察了断口形貌和显微组织,分析其力学性能随拉伸温度和应变速率变化的规律及机理。结果表明:随拉伸温度的升高和应变速率的减小,试验钢的屈服强度和抗拉强度逐渐降低,屈强比呈上升趋势;而断面收缩率在720℃出现极小值,随应变速率的增加逐渐增大。温度和应力作用引发的杂质原子的非平衡晶界偏聚影响着试验钢的塑性。

磁性材料

0622682硼向晶界扩散机理的研究[刊,中]/万小军//长沙电力学院学报(自然科学版)．—2006,21(2)．—86-89(L)通过解变温扩散方程,导出非平衡晶界偏聚的数学表达式,建立了晶界贫硼局域尺寸与淬火加热温度。