高溫合金中微量元素對(duì)晶界的作用

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1、第卷第期增刊自然科學(xué)進(jìn)展年月高溫合金中微量元素對(duì)晶界的作用李玉清陳國(guó)勝?gòu)埣腋㈠\巖大冶特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心,黃石摘要直接在晶粒表面上通過(guò)晶界析出行為和析出相的成分特征等研究了微量元素對(duì)晶界的作用提出溶質(zhì)原子的原子錯(cuò)配度概念,解釋了微量元素的晶界偏聚效應(yīng),和相互作用機(jī)制闡述了微量元素促使晶界相球化和退化的機(jī)理用原子錯(cuò)配度概念綜述了所研究高溫合金中錯(cuò)配度大的微量元素原子可阻礙錯(cuò)配度小的溶質(zhì)原子向晶界偏聚,并傾向于將后者從晶界點(diǎn)陣或間隙驅(qū)逐到晶內(nèi)點(diǎn)陣或間隙或晶界相中,同時(shí)研究了后者對(duì)前者的反作用關(guān)鍵詞高溫合金微量元素原子錯(cuò)配度晶界效應(yīng)

2、最近,有關(guān)高溫合金的很多工作都集中在微量元素等溶質(zhì)原子對(duì)晶界的作用上如研究了,「‘〕,,合金中碳和硼向晶界偏聚碳在孿晶界上的富聚發(fā)現(xiàn)硼偏聚在晶界而錯(cuò)則否觀察到合金中硼和少量碳偏聚到鋸齒晶界,而錯(cuò)則否“〕在。合金固溶,,和時(shí)效的冷卻過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鑰向晶界的非平衡偏聚隨硼含量的增高而增強(qiáng)但鉻的晶界偏聚不依賴于硼含量,℃時(shí)效時(shí)引起鑰和鉻向晶界偏聚,直到蛛,開始析出味碳、、,硼磷等晶界偏聚元素可進(jìn)人鉻的碳化物中使晶界得以凈化〕合金隨著硫含量的增高由穿,晶斷裂逐漸變?yōu)榫чg斷裂加人適量鎂可控制硫含量高時(shí)所引起的塑性降低但過(guò)量鎂對(duì)熱塑性不利“〕在合金晶

3、界上檢測(cè)到鑰和磷等微量元素的偏聚,發(fā)現(xiàn)晶界,,‘顆粒可導(dǎo)致塑性斷裂且可存人大量硫〕沿合金晶界發(fā)展的丫的有序度決定其對(duì)晶界的保護(hù)作用“」合金中妮的晶界富聚使晶界被丫包覆偏聚到晶界的妮和氫、氧反應(yīng)加〔”,劇疲勞裂紋的生長(zhǎng)妮的晶界偏聚對(duì)蠕變裂紋的生長(zhǎng)起重要作用推測(cè)晶界脆性氧化〔‘。以及晶界膜的出現(xiàn)可能導(dǎo)致高溫合金長(zhǎng)期工作妮薄膜的形成降低了裂紋的擴(kuò)展阻力時(shí)脆性斷裂,川等等盡管國(guó)內(nèi)外工作者關(guān)于微量元素的偏聚和與之相關(guān)的晶界析出相對(duì)晶界作用的研究已經(jīng)獲得內(nèi)容豐富的成果,但由于通常采用的實(shí)驗(yàn)方法存在一定局限性,在解釋這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí),尚,缺乏統(tǒng)一的理

4、論模型,因而關(guān)于高溫合金中微量元素的作用機(jī)制還需進(jìn)一步探討“”,、我們采用晶界萃取碳復(fù)型技術(shù)在多種高溫合金中獲得了對(duì)晶界起主要作用的同微量元素偏聚相關(guān)的晶界析出相的明晰圖像特別是對(duì)晶界上經(jīng)常出現(xiàn)、而用其他實(shí)驗(yàn)方法不易觀察到的細(xì)而薄和極薄的大尺寸析出相的表觀特征、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷及化學(xué)組成等,此法能準(zhǔn)確、全面揭示,因而可直接在晶粒表面上有效研究同微量元素偏聚相關(guān)的晶界析出行為、微量元素,和與之相關(guān)的晶界相對(duì)晶界的作用機(jī)制本文是我們這方面系列工作的綜述并從這些工作的一一收稿,一一收修改稿自然科學(xué)進(jìn)展第卷,提出,研究結(jié)果了原子錯(cuò)配度概念由此進(jìn)

5、一步從理論上論述和從實(shí)驗(yàn)上研究了微量元素替代,式和間隙式原子的晶界效應(yīng)及其相互作用還從同晶界析出相觀察研究結(jié)果一致的持久壽命,較好地說(shuō)明等宏觀力學(xué)性能和證實(shí)了微量元素對(duì)晶界的作用機(jī)制溶質(zhì)原子的原子錯(cuò)配度及其晶界效應(yīng)溶質(zhì)原子的原子錯(cuò)配度和晶界偏聚,,,同晶內(nèi)點(diǎn)陣相比晶界及其附近原子排列比較混亂點(diǎn)陣畸變較大即存在與晶內(nèi)溶劑點(diǎn)陣中,原子座位或間隙尺寸不同的空隙忽略溶質(zhì)原子電子分布等性質(zhì)的影響晶內(nèi)溶質(zhì)原子尺寸通常同所占據(jù)的原子座位或間隙尺寸不相匹配如果晶內(nèi)溶劑原子和替代式溶質(zhì)原子的直徑分、,。,,別為和溶劑點(diǎn)陣間隙尺寸的最小直徑為間隙原子直徑

6、為可定義它們?cè)诰?nèi)點(diǎn)陣中所產(chǎn)生的原子錯(cuò)配度為一一仙下萬(wàn),占鱺一」‘因此,當(dāng)鱺或禮嘗時(shí),溶質(zhì)原子將向晶界偏聚,并在晶界上找到適合其尺寸的空隙,降低其位能和晶界能由,甚至同一晶界的不同區(qū)域,晶界及其附近溶劑原子排列的雜亂程度或點(diǎn)陣于不同晶界畸,,,變會(huì)有所不同從而供安置偏聚原子的空隙尺寸也將存在差異因此溶質(zhì)原子特別是數(shù)量極微的溶質(zhì)原子,在不同晶界上,甚至在同一晶界的不同區(qū)域,其偏聚程度及其所產(chǎn)生的效應(yīng)可‘“〕能存在顯著差別晶內(nèi)溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中產(chǎn)生的錯(cuò)配度愈大,它們向晶界偏聚的傾向就愈強(qiáng),其在晶界的濃度就愈高對(duì)于引起高度畸變的溶質(zhì)原子,

7、即使其晶內(nèi)濃度極小,占耐或禮很大而言也可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的晶界偏聚,引起極顯著的效應(yīng)和重要的實(shí)際后果本文所涉及的微量元素鈣、鎂、錯(cuò)等替代式原子或硫、硼等間隙式原子,其尺寸比奧氏體點(diǎn)陣上的鐵、鎳的原子尺寸或其點(diǎn)陣的八,因此它們必將引起顯著的晶界效應(yīng)〔’一‘“面體間隙大得多溶質(zhì)原子在晶界上的相互作用,“”,,如果兩種溶質(zhì)原子的錯(cuò)配符號(hào)相反它們?cè)诰?nèi)可能互相對(duì)消使其綜合錯(cuò)配效應(yīng)減小,一種從而降低其向晶界偏聚的傾向如果兩種原子的錯(cuò)配符號(hào)相同比另一種的錯(cuò)配度大鱺,則前者比后者向晶界偏聚的程度更大,并傾向?qū)⒑笳邚木Ы纭蚨Y禮點(diǎn)陣或點(diǎn)陣間隙中驅(qū)逐出去,或

8、者對(duì)‘一‘后者向晶界的偏聚產(chǎn)生阻礙作用錯(cuò)配度大的溶質(zhì)原子可能以兩種方式將其它溶質(zhì)原子從晶界驅(qū)逐到晶內(nèi)點(diǎn)陣或驅(qū)逐到晶界析出相中〔’一’“〕替,代式溶質(zhì)原子對(duì)其它替代式溶質(zhì)原子的不同驅(qū)逐方式可能同偏聚到晶界的間隙原子的數(shù)量及