奧氏體鋼中沿著不規(guī)則應力腐蝕裂紋路徑的晶粒邊界特征的研究

1、奧氏體鋼中沿著不規(guī)則應力腐蝕裂紋路徑的晶粒邊界特征的研究摘要：奧氏體不銹鋼合金（austenitic stainless alloys）試樣用掃描和透射電子顯微鏡（scanning and transmission electron microscopy）觀察。用電子背散色衍射測量取向差。用特別強調（special emphasis）沿著不規(guī)則應力腐蝕裂紋和止裂紋點（at crack arrest points）的晶粒邊界特征分析晶粒邊界分布。人們認同（It was established that）僅僅共格孿晶（coherent twin）3邊界可以被認為是關于裂紋阻力（crack resi

2、stance）的特別孿晶。然而，用任意晶粒邊界的孿晶相互作用可以阻止裂紋增值這是可能的（it is possible that）。這結果表明除幾何因素外的其他因素在商業(yè)合金的不規(guī)則應力腐蝕裂紋中起到了重要的作用。1. 前言奧氏體不銹鋼普遍用于結構材料由于他們好的機械性能和高的腐蝕阻力的結合。雖然那些合金有極好的性能記錄（an excellent service record），許多受環(huán)境誘導了不規(guī)則的斷裂由于不合適的制造處理(improper fabrication treatments)或者暴露在化學溶液中（exposure to aggressive solution chemistrie

3、s）。晶粒邊界特征在斷裂過程中起到了重要的作用由于在各種邊界之間結構和合成的組成不同（resultant compositional differences）。所以，在給定材料中晶粒邊界整體的統(tǒng)計特征以及沿著裂紋路徑的特別界面的檢測可能對理解現(xiàn)象學和環(huán)境裂紋增長機制有幫助。自從Watanable用公式表示了晶粒邊界工程的目的（the aim of grain boundary engineering）作為努力增加內在晶界抗裂性的比例，研究者努力在真的多晶材料（polycrystalline materials）中識別這樣的晶界。在相同點的晶格（CSL）模型框架中，通常，假定用相同點（coinc

4、ident sites）的倒易密度（reciprocal density）的小值（關于相同任意的上限）描述特別晶粒晶界。然而，考慮到相同點的晶格理論純幾何性質這種假設是帶有疑問的。一些研究者認為相同點陣相關晶界的增長比例應該促進材料抵抗不規(guī)則斷裂（參看最近出版的文獻2）。僅僅一些研究已經報道了在斷裂路徑中涉及晶界類型統(tǒng)計了大量的試驗數(shù)據(jù)。報道在面心材料中斷裂晶界直接測量的多晶參數(shù)的這些研究在下一段中做了簡短的回顧。進行在Ni-16Cr-9Fe合金中不規(guī)則應力腐蝕裂紋的研究試驗表明低角度（15 °）晶界不發(fā)生斷裂。相同點陣晶界不全部避免斷裂，雖然它們一般比任意晶界更易阻止斷裂

5、。晶界分數(shù)在文獻3中沒有詳細說明，但是通常在這種材料中（in the materials of this class）相同點陣晶界的大多數(shù)是孿晶，3晶界。這樣（As such），觀察到的對相同點陣晶界的斷裂優(yōu)先（superior）阻力是最可能的（was most likely）由于3晶界。在另一個Ni基合金（X-750）中應力腐蝕斷裂路徑的晶界的多晶特征被Pan等表示。在任何情況下3晶界發(fā)現(xiàn)斷裂（In no case was a 3 boundary found to crack倒裝句），但是低的晶界在裂紋路徑中呈現(xiàn)出。討論這些結果，作者認為如果晶界面也被考慮和/或接近理想相同點陣旋轉的不同規(guī)

6、范被采用，那些晶界的大部分可以不是特別的?；谠贜i3Al中研究斷裂晶界在空氣中在室溫或在加壓隔離室中變形，Lin和Pope計算了僅僅低角度和對稱孿晶，3晶界是牢固的，然而全部另外的GBs，它們獨立的值是薄弱的。研究者們認為低晶界作為一組，除了1和3，都和一般晶界一樣傾向于裂紋抑制和增加（The authors found that low- boundaries as group, except for 1 and 3, were as prone to both crack initiation and propagation as were general boundaries.）。盡管

7、在這種材料中我們感興趣的全部晶界統(tǒng)計相對性地進行了全面的研究（參見文獻2，4），在裂紋路徑中對晶界特征缺乏直接的試驗數(shù)據(jù)。存在的數(shù)據(jù)受限且需要進一步的研究。目前工作的主要目標是在不銹鋼中沿著應力腐蝕裂紋路徑分析晶界類型為了填充在這領域中假設模型和可靠試驗結果之間存在的空隙。這個焦點不僅僅在晶界統(tǒng)計上，也在其他沿著裂紋路徑的個別位置的檢查上。2. 試驗對Ni基（600合金）和Fe基（304或316鋼）奧氏體不銹鋼不同試樣進行研究。在復雜的高溫水環(huán)境和應力狀態(tài)下出現(xiàn)應力腐蝕裂紋。合金600試樣在模型-煮應力腐蝕斷裂測試（試樣1）或者在服役中出現(xiàn)斷裂（試樣2和3）從蒸汽發(fā)生管移除。試樣材料1在研磨退

8、火條件下和在330壓水堆主水中測試。在這試樣中晶界表現(xiàn)出與基體相似的組成和僅僅一些絕緣的Cr7C3碳化物。組成物的外形穿過晶界表現(xiàn)出沒有重大的改進或合金化處理消耗或非純元素。600合金試樣2和3在應力中被解除和激活條件。這熱處理產生了高密度的不規(guī)則的Cr7C3碳化物和Ni23C6硼化物帶有一個約50nm寬耗盡Cr的區(qū)域。在碳化物之間的區(qū)域測量的界面Cr水平約為4%。在一個一次通過蒸汽發(fā)生器中服役的期間在上面的自由跨度區(qū)域發(fā)生二次斷裂。304和316材料也在一個高溫水環(huán)境相似與PWR蒸汽產生器中經歷了IGSCC。然而，溫度較低（304鋼180和316鋼250），磷酸鈉（sodium phosph

9、ate）被加入為控制PH值和亞磷酸鈉（sodium sulfite）用于脫氧作用（de-oxygenation）拿316鋼為例。304試樣在激活條件（不規(guī)則的M23C7碳化物和Cr消耗降低到約為10%）下和316試樣被碾磨處理（改進Mo到約為10%和Cr到約為20%在晶界沒有不規(guī)則的二次相）。值得注意的是在相同試樣中不規(guī)則的隔離和沉淀隨邊界到邊界變化。然而，由于限定的數(shù)據(jù)量，關于晶界多晶參數(shù)沒有相關性建立，除了沒有隔離和沉淀被觀察到在連貫的3孿晶界。先于掃描電鏡(SEM)下觀察研究，試樣被機械地拋光然后用離子研磨粉（ion milling）在5kV下腐蝕5分鐘以去除損壞的表面層。這裂紋被保護在

10、切和拋光試樣之前真空注入一種低力粘度熱固性樹脂（a low-vis-cosity thermosetting resin）。用一個安裝在TexSEM 試驗定向成像顯微鏡學（OIM）體系的JEOL JSM-840 SEM 進行電子背散射衍射決定晶界多晶參數(shù)。TSL軟件用來收集和引用衍射類型。這體系軟件用它們的相對長度給出了晶界的分布。用它們頻繁發(fā)生的EBSD數(shù)據(jù)去表征晶界的分布進一步用一種專門開發(fā)的電腦程序被分析。到這結尾，作為揭示了微觀結構的個別晶界的錯向被計算。全部晶界的錯向在OIM掃描中表現(xiàn)出被沒有選擇地研究，可能影響數(shù)據(jù)的統(tǒng)計正確性。所以，在這研究中晶界統(tǒng)計用它們頻繁的發(fā)生及不同類型的晶

11、界相對長度分布表征了晶界分布。兩種類型的分布對不同的性能可能很重要；然而，發(fā)生的密度對晶界連貫性（connectivity）和晶界網絡的浸透（percolation）性能是首要重要的，這在裂紋增值中被認為起到主要的作用。裂紋邊界的多晶參數(shù)也被分別分析。隨著在界面研究中建立的實踐，晶界用這近似布蘭登規(guī)范=15°-1/2根據(jù)CSL方法進行分類。對每個材料僅僅一個橫截面試樣進行研究。這事實，在那些去除服役的試樣中沿著復雜的加載條件，不可能定量的決定個別晶界是如何取向外加應力的。然而，定性的估計穿過橫截面的斷裂路徑。去擴展EBSD SEM研究中的發(fā)現(xiàn)，沿著裂紋路徑和近裂紋端選擇位置也用JEO

12、L 2010F 透射電鏡（TEM）觀察。橫截面薄膜用離子粉準備。TEM試樣準備的技術細節(jié)和觀察到處都可以見到。在這研究中裂紋腐蝕產品和晶界撞擊600合金和不銹鋼試樣的高分辯率表征結果在單本出版物中被表述。3. 結果在大部分情況下，獲得傳統(tǒng)的SEM圖片和把他們與OIM圖比較確定在微觀結構中的晶界和裂紋是必要的。在合金600試樣2中區(qū)域觀察的例子呈現(xiàn)在圖1中。能看到晶界用OIM掃描能很好地觀察到，然而窄裂紋在一般的SEM照片中能清晰地觀察到。3.1. 晶界分布晶界多晶參數(shù)的概括統(tǒng)計量如表1和圖2和3中所示。在全部的試樣中，這總晶界量的分布是典型的熱處理材料傾向于熱處理孿晶（參見文獻4,15,16）

13、。用大量的3晶界表征分布和一些分布提升了多孿晶變量的比例，例如9和27晶界。3晶界的相對長度超過了這種材料期望達到它們數(shù)量的頻率。圖4表明-晶界來自理想的CSL錯向的相對偏差。它表明，然而超過3晶界的一半有相對的偏差少于0.2，它們CSL相關晶界的大部分有很多偏離了理想的晶界。那些數(shù)據(jù)與TEM結果相符合（are in accord with）。然而，在當前研究中測量的3晶界的偏差比文獻16中的一般都大，因為用在SEM中的EBSD手段測量的錯向比在通過菊池模式透射的精確度低。Fig.2. Grain boundary misorientation angle distributions. A r

14、andom distribution is shown by solid line superimposed onto each histogram. Large scatter on the histograms for cracked boundaries is due to relatively poor statistics.斷裂晶界的統(tǒng)計不同于全部晶界的數(shù)量，首先由于明顯地減少3晶界的頻率。結果，斷裂晶界錯向參數(shù)(參見表1和圖2和3)的分布變成接近一個任意的分布。如果3晶界被從全部晶界數(shù)量中分離出來（were factored out），斷裂低-晶界的分數(shù)明顯地不同于在一般數(shù)量中它們

15、發(fā)生的頻數(shù)（如表1所示）。斷裂晶界某種個別特征在下面的段落中進行更細地討論。3.2. 止裂點（crack arrest point）洞察特定的晶界類型的斷裂阻力可以通過檢查沿SCC斷裂路徑的止裂點來獲得。在600合金試樣中兩種這樣的點被標記在圖1d中。區(qū)域A在裂紋尖端（crack tip）附近(例如在給定的橫截面上最深裂紋的增值點)，及區(qū)域A被示意在圖5a中。在這個例子中，裂紋停止在一個孿晶和兩個任意晶界的一個三結點處。其中一個任意晶界作為斷裂的繼續(xù)，即使它的蹤跡喜好朝向與主裂紋增值的方向也沒有斷裂。在這個圖中，作為這節(jié)的全部其他部分，這主應力軸是水平的（例如垂直于主裂紋增值方向）。在區(qū)域B中

16、，裂紋停止在一個27b晶界和三個3晶界的四結點處（圖5b），和在左邊再度出現(xiàn)一個晶粒（如圖1所示）。在我們觀察的全部試樣中有幾個試樣中我們可以觀察到裂縫干擾。因為填充樹脂（impregnating resin）在裂紋尖端被發(fā)現(xiàn)，那是很明顯的裂紋的分支出現(xiàn)在三維方向上。在這個特例中，27b晶界斷裂，然而3晶界抵抗裂紋的增值（resist crack propagation）且裂紋用給定截面上下的分支繞開它們。斷裂晶界偏離理想27b晶界測量的錯向僅僅1°，這在用EBSD測量錯向的精度之內。然而，一般我們不能過多強調斷裂晶界具體錯向偏差的幅度（例如文獻5所示）。人們應該記住斷裂開始以后，晶

17、粒之間的錯向沿著裂紋晶界結合將有輕微地變化。圖6表示的是在合金600試樣中的裂紋和相關晶界網絡。標記的區(qū)域表明了止裂點。區(qū)域C（如圖6c所示）表示的是裂紋尖端。這裂紋在任意晶界的三處結合點處停止，但是其中的兩個不利于朝向主裂紋增值方向。在裂紋干擾點D處（如圖6d所示）任意兩個晶界（標記為R1和R2）連接了兩個裂紋分支，但是由于一些不知道的原因，那些晶界沒有斷裂即使在它們看似有利于空間取向。裂紋用給定橫截面的上下分支繞開那些晶界。區(qū)域E（二次裂紋尖端）在圖6e中表述，裂紋停止在兩個任意晶界和一個9晶界的三結合點處。后者不利于取向主應力軸方向。任意晶界有利于取向，但也不斷裂。值得注意的是作為研究試樣中的大部分任意晶界，這晶界被宏觀彎曲（were macroscopically curved）。因此，沒有結晶面可以與這些晶界相關聯(lián)。裂紋干擾位F有非常復雜的結構（如圖6f所示）。裂紋的右側分支停止在兩個3晶界和兩個任意晶界的四點結合處。任意晶界作為裂紋路徑的繼續(xù)，沒有斷裂。不利于取向外加應力，但也不是其他任意晶界在這四點結合處（quadruple intersection）沿著交叉點裂紋增值。左分支停止在三點結合處，