塑性變形導(dǎo)致的非平衡晶界偏聚.pdf

1、晶界脆化問題一直是材料工作者關(guān)注的一個重要問題。晶界脆化的機(jī)理在于溶質(zhì)原子在晶界偏聚,進(jìn)而降低了晶界結(jié)合強度,從而發(fā)生晶界脆化現(xiàn)象。晶界偏聚可分為兩種,分別為平衡晶界偏聚和非平衡晶界偏聚。平衡晶界偏聚是一種熱力學(xué)平衡狀態(tài),是由晶界與晶內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的不均勻性引起的。溫度變化,應(yīng)力,輻照等都會使得材料發(fā)生明顯的非平衡晶界偏聚現(xiàn)象。但是高溫塑性變形導(dǎo)致的非平衡晶界偏聚現(xiàn)象并未得到廣泛的關(guān)注。
　　由于金屬材料在高溫下塑性好,能夠達(dá)到軟化的

2、狀態(tài),因此,為了有利于加工,通常將鋼錠加熱到較高溫度以上，再進(jìn)行高溫塑性加工。由于金屬材料在高溫塑性變形(如連鑄連軋)過程中晶粒內(nèi)部會產(chǎn)生大量的過飽和空位,它們與溶質(zhì)原子的交互作用會引起溶質(zhì)原子向晶界富集。而雜質(zhì)原子(如P或Sn)的晶界偏聚會導(dǎo)致熱軋坯或連鑄坯橫向裂紋的產(chǎn)生,使它們的冶金質(zhì)量惡化。到目前為止,國內(nèi)外對這種非平衡晶界偏聚的研究較少。為了深入研究高溫塑性變形導(dǎo)致的非平衡晶界偏聚,本文開展了如下工作。
　　研究了無間隙原

3、子鋼(IF鋼)中磷元素的平衡晶界偏聚和高溫塑性變形導(dǎo)致非平衡晶界偏聚現(xiàn)象。在IF鋼中,P元素的平衡偏聚自由能為44.65kJ/mol,且與溫度無關(guān)。而IF鋼中磷元素的非平衡晶界偏聚濃度與溫度、應(yīng)變量和應(yīng)變速率有關(guān)。溫度越低,磷元素的非平衡晶界偏聚現(xiàn)象越明顯。在給定溫度條件下,磷元素的晶界偏聚濃度隨著應(yīng)變量的增加而增加,最終達(dá)到一個穩(wěn)定的數(shù)值。此外,在相同溫度和應(yīng)變量條件下,磷元素的晶界偏聚濃度隨著應(yīng)變速率的增加而增加。
　　詳細(xì)分

4、析了高溫塑性變形過程中晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的過飽和空位,并在理論上探討了過飽和空位和高密度位錯對溶質(zhì)原子擴(kuò)散系數(shù)的影響。研究提出,塑性變形會導(dǎo)致晶內(nèi)產(chǎn)生大量的空位,過飽和空位濃度隨著應(yīng)變量的增加而增加,最終趨于一個穩(wěn)態(tài)的數(shù)值。同時,過飽和空位與位錯都會促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散,當(dāng)溫度較高時,以過飽和空位的作用為主。基于復(fù)合體擴(kuò)散機(jī)制及變形過程中產(chǎn)生的過飽和空位,建立了二元系合金中高溫塑性變形導(dǎo)致的非平衡晶界偏聚動力學(xué)模型。利用該模型分析了溫度,應(yīng)變量

5、和應(yīng)變速率對P元素的非平衡晶界偏聚的影響。理論預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。
　　通過帶場發(fā)射槍的掃描透射電子顯微鏡測量了1Cr0.5Mo鋼在900℃以應(yīng)變速率2.0×10-3s-1變形10％后試樣的晶界化學(xué)成份,發(fā)現(xiàn)變形能夠明顯地促進(jìn) P和Mo的晶界偏聚?？紤]不同的溶質(zhì)原子在晶界處的位置競爭關(guān)系和形成溶質(zhì)原子-空位復(fù)合體時的競爭關(guān)系,將二元系中高溫塑性變形導(dǎo)致的非平衡晶界偏聚動力學(xué)模型推廣應(yīng)用于三元系合金中。并預(yù)測了變形過程中產(chǎn)生的

6、P和Mo的非平衡晶界偏聚濃度,理論預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。
　　在高溫塑性變形過程中,材料的硬度和雜質(zhì)晶界偏聚濃度都會發(fā)生明顯的變化,而這兩種變化都會使材料發(fā)生脆化現(xiàn)象,分別稱為硬化脆化(主要由應(yīng)變強化引起)和非硬化脆化(主要由雜質(zhì)原子的晶界偏聚引起)。本文分別討論了晶界偏聚和硬度對添加0.037wt.%P的IF鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。結(jié)果表明,當(dāng)晶粒尺寸和硬度不變時,韌脆轉(zhuǎn)變溫度與P的晶界濃度成線性增長的關(guān)系。而當(dāng)晶粒尺寸和P晶