納米晶鐵鋯合金的晶粒長大行為及熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、鐵基合金是一類重要的工程材料，組織納米化可使這類合金獲得極為優(yōu)異的物理/化學(xué)性能。然而，納米晶材料包含大量的晶界，這使得這類材料具有極高的能量狀態(tài)，微觀組織熱穩(wěn)定性極差，易發(fā)生粗化。研究表明，通過添加強(qiáng)晶界偏析元素可有效改善納米晶材料的熱穩(wěn)定性。本文選取強(qiáng)晶界偏析鐵鋯合金為研究對象，利用高能球磨的方法制備了納米晶鐵鋯合金，進(jìn)一步對所制備的納米晶試樣進(jìn)行了不同溫度、不同時(shí)間的退火處理。配有二維探測器的X射線衍射儀和透射電鏡對制備態(tài)和退火態(tài)

2、的合金試樣的晶粒尺寸、相組成等微觀組織特征進(jìn)行了系統(tǒng)表征；系統(tǒng)研究了晶粒尺寸、鋯元素的晶界過剩量、第二相析出隨退火溫度、時(shí)間的演化規(guī)律；結(jié)合相關(guān)熱/動(dòng)力學(xué)模型，分析了納米晶鐵鋯合金的晶粒長大行為及合金的熱穩(wěn)定性；得到如下主要結(jié)論：
　　(1)鋯元素添加可對納米晶鐵鋯合金產(chǎn)生強(qiáng)烈的穩(wěn)定化效應(yīng)；所制備的納米晶鐵鋯合金為單相鐵素體，隨鋯含量的增大，合金的晶粒尺寸不斷降低；當(dāng)退火溫度低于600℃時(shí)，合金仍為單相鐵素體，當(dāng)退火溫度超過600

3、℃時(shí)，第二相Fe3Zr開始析出，且隨退火溫度的升高該相的析出量不斷增大；隨退火溫度的增大，納米晶的晶粒尺寸不斷增大，但晶粒的粗化程度遠(yuǎn)低于納米晶純鐵，F(xiàn)e-5 at.％Zr合金晶粒尺寸在900℃退火1 h后仍可保持在100 nm的量級。
　　(2)定量分析表明，當(dāng)鋯元素在納米晶組織中的分配達(dá)到平衡時(shí)，體系出現(xiàn)熱力學(xué)的亞穩(wěn)平衡態(tài)，晶界能降低至零，亞穩(wěn)平衡晶粒度隨溶質(zhì)含量的增大而降低。當(dāng)合金的鋯含量高于7 at.% Zr時(shí)，制備態(tài)合金

4、的鋯元素在納米組織中的分配已達(dá)到平衡，納米晶的穩(wěn)定性完全由晶界能降低的熱力學(xué)穩(wěn)定化效應(yīng)控制；當(dāng)合金的鋯含量低于7 at.% Zr時(shí)，制備態(tài)合金的鋯元素在納米組織的分配未達(dá)到平衡，納米晶的穩(wěn)定性受到熱力學(xué)的晶界能降低和動(dòng)力學(xué)的溶質(zhì)拖拽效應(yīng)的共同控制。
　　(3)退火納米晶鐵鋯合金的熱穩(wěn)定性受到復(fù)雜的穩(wěn)定化機(jī)制的控制，在不同的溫度區(qū)間內(nèi)受到不同的穩(wěn)定化機(jī)制的主導(dǎo)。在 Fe3Zr相析出前的溫度區(qū)間內(nèi)，納米晶的熱穩(wěn)定性受鋯元素在晶界處偏聚