塑性變形導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注的一個重要問題。晶界脆化的機理在于溶質原子在晶界偏聚,進而降低了晶界結合強度,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平衡狀態(tài),是由晶界與晶內組織結構的不均勻性引起的。溫度變化,應力,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致的非平衡晶界偏聚現(xiàn)象并未得到廣泛的關注。
　　由于金屬材料在高溫下塑性好,能夠達到軟化的

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)過程中晶粒內部會產生大量的過飽和空位,它們與溶質原子的交互作用會引起溶質原子向晶界富集。而雜質原子(如P或Sn)的晶界偏聚會導致熱軋坯或連鑄坯橫向裂紋的產生,使它們的冶金質量惡化。到目前為止,國內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。而IF鋼中磷元素的非平衡晶界偏聚濃度與溫度、應變量和應變速率有關。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變量的增加而增加,最終達到一個穩(wěn)定的數(shù)值。此外,在相同溫度和應變量條件下,磷元素的晶界偏聚濃度隨著應變速率的增加而增加。
　　詳細分

4、析了高溫塑性變形過程中晶粒內部產生的過飽和空位,并在理論上探討了過飽和空位和高密度位錯對溶質原子擴散系數(shù)的影響。研究提出,塑性變形會導致晶內產生大量的空位,過飽和空位濃度隨著應變量的增加而增加,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溶質原子的擴散,當溫度較高時,以過飽和空位的作用為主?；趶秃象w擴散機制及變形過程中產生的過飽和空位,建立了二元系合金中高溫塑性變形導致的非平衡晶界偏聚動力學模型。利用該模型分析了溫度,應變量

5、和應變速率對P元素的非平衡晶界偏聚的影響。理論預測結果與實驗結果相一致。
　　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℃以應變速率2.0×10-3s-1變形10％后試樣的晶界化學成份,發(fā)現(xiàn)變形能夠明顯地促進 P和Mo的晶界偏聚。考慮不同的溶質原子在晶界處的位置競爭關系和形成溶質原子-空位復合體時的競爭關系,將二元系中高溫塑性變形導致的非平衡晶界偏聚動力學模型推廣應用于三元系合金中。并預測了變形過程中產生的

6、P和Mo的非平衡晶界偏聚濃度,理論預測結果與實驗結果相一致。
　　在高溫塑性變形過程中,材料的硬度和雜質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(主要由應變強化引起)和非硬化脆化(主要由雜質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鋼韌脆轉變溫度的影響。結果表明,當晶粒尺寸和硬度不變時,韌脆轉變溫度與P的晶界濃度成線性增長的關系。而當晶粒尺寸和P晶