6晶界與晶界偏聚

1、溶質(zhì)原子的晶界偏聚溶質(zhì)原子的晶界偏聚材料與冶金學院材料與冶金學院袁澤喜袁澤喜2010.06目錄目錄0 前言前言 0.1 研究意義研究意義 0.2 殘留元素的來源及鋼中殘留趨勢殘留元素的來源及鋼中殘留趨勢1 平衡晶界偏聚平衡晶界偏聚 1.1 平衡晶界偏聚機制平衡晶界偏聚機制 1.2 平衡晶界偏聚熱力學平衡晶界偏聚熱力學 1.3 平衡晶界偏聚動力學平衡晶界偏聚動力學 2 非平衡晶界偏聚非平衡晶界偏聚 2.1 非平衡晶界偏聚機制非平衡晶界偏聚機制 2.2 非平衡晶界偏聚熱力學非平衡晶界偏聚熱力學 2.3 非平衡晶界偏聚動力學非平衡晶界偏聚動力學3、大、大 冷變形再結(jié)晶退火時的晶界偏聚冷變形再結(jié)晶退火

2、時的晶界偏聚 3.1 偏聚現(xiàn)象偏聚現(xiàn)象 3.2 偏聚機制偏聚機制 3.3 臨界時間計算臨界時間計算 3.4 競爭偏聚競爭偏聚前言前言 我國鋼鐵工業(yè)現(xiàn)狀我國鋼鐵工業(yè)現(xiàn)狀 我國未來鋼鐵原料潛在的危機我國未來鋼鐵原料潛在的危機 國產(chǎn)鐵礦共生低熔點元素偏高 廢鋼中低熔點元素積累愈來愈嚴重 低熔點元素對鋼鐵材料的危害低熔點元素對鋼鐵材料的危害 磷、錫、銻、鉍晶界偏聚行為 稀土、硼對低熔點元素偏聚抑制作用回火脆性硅鋼的晶界與表面偏聚對織構(gòu)度的影響 蠕變過程中的脆性斷裂焊接過程中的冷脆性銅合金中鉍偏聚鎳基高溫合金中硫偏聚核反應堆中輻照過程中的脆性連鑄熱塑性與橫向裂紋 金屬材料的晶間腐蝕金屬材料非硬化脆化產(chǎn)生

3、的原因：銅合金中的鉍元素鎳基高溫合金中的硫元素鋼中磷、錫、砷、銻、鉍等等殘留元素的晶界偏聚殘留元素的晶界偏聚殘留元素的來源1、礦石中的共生元素、礦石中的共生元素2、冶煉過程所添加輔料中、冶煉過程所添加輔料中00.10.20.30.40.51985 1990 1995 2000 2005 2010 2015年 度Cu含量，型鋼，最大值型鋼，最小值棒鋼，最大值棒鋼，最小值00.0050.010.0150.020.0251985 1990 1995 2000 2005 2010 2015年 度Sn含量，型鋼，最大值型鋼，最小值棒鋼，最大值棒鋼，最小值鋼中殘留元素的積累鋼中殘留元素的積累1. 平衡晶界

4、偏聚平衡晶界偏聚 1.1 平衡晶界偏聚機制平衡晶界偏聚機制彈性畸變能引起平衡晶界偏聚彈性畸變能引起平衡晶界偏聚泡沫模型泡沫模型D.Mclean N個未畸變的點陣位置有個未畸變的點陣位置有P個溶質(zhì)原子占據(jù)，另有個溶質(zhì)原子占據(jù)，另有n個個畸變位置畸變位置p個溶質(zhì)原子占據(jù)。假設一個溶質(zhì)原子進入未個溶質(zhì)原子占據(jù)。假設一個溶質(zhì)原子進入未畸變位置引起的畸變能畸變位置引起的畸變能E,而進入一個畸變位置引起的而進入一個畸變位置引起的附加畸變能附加畸變能e，因此，由此引起的自由能是：，因此，由此引起的自由能是： G的極小值為：的極小值為：ln ! ! ln()! !()! !G pe PE kTn Nn p p

5、 N P PlnnpPeEkTpNPexp()pPEenpNPkT平衡晶界偏聚熱力學平衡晶界偏聚熱力學/BIxP N/Ixp n0IG畸變區(qū)的溶質(zhì)濃度畸變區(qū)的溶質(zhì)濃度-未畸變區(qū)的溶質(zhì)濃度未畸變區(qū)的溶質(zhì)濃度- 卡卡/克分子代替（克分子代替（E-e）當考慮振動熵并假定基體溶質(zhì)濃度當考慮振動熵并假定基體溶質(zhì)濃度很低時，很低時，00exp(/)1exp(/)BIIIBBIIIAxGRTxxAxGRTD.Mclean D.Mclean 武漢科技大學 熱力學公式)exp(10RTGxxxIBIII0IG估算困難未涉及偏聚元素之間化學作用平衡晶界偏聚動力學平衡晶界偏聚動力學平衡晶界偏聚動力學平衡晶界偏聚動力

6、學2110922212122225264/9)4()4exp(1ttDdtdDterfcdDtxt-富集比d-晶界厚度平衡偏聚動力學曲線平衡偏聚動力學曲線武漢科技大學 1、鎂在鋁中擴散系數(shù)：D=0.58e-30100/RTcm2s-1 Mg的濃度0.01at%, 2=30， d=810-8cm，求240偏聚達到平衡濃度一半所需要的時間？ 2、若規(guī)定偏聚達到平衡濃度一半所需要的時間為107s時的溫度為偏聚凍結(jié)溫度，Cu在Al中的擴散系數(shù)D=0.28e-26200/RTcm2s-1， 2=100， d=810-8cm，求Cu的凍結(jié)溫度。推導出凍結(jié)溫度公式。平衡晶界偏聚習題平衡晶界偏聚習題非平衡晶界

7、偏聚理論非平衡晶界偏聚理論Aust Anthony Faulkner Xu.tingdong 非平衡晶界偏聚理論I+V=C降溫降溫保溫保溫偏聚偏聚解聚解聚武漢科技大學硼偏聚硼偏聚非平衡晶界偏聚理論)exp()()(KTEEKTEEEECTCfbbfbfbBmb武漢科技大學)(4/)/ln()(2iciccDDDDRTt臨界時間臨界時間俄歇能譜儀徑跡顯微照相TEM法晶界偏聚導致脆性的發(fā)生晶界偏聚導致脆性的發(fā)生晶界偏聚降低了晶界的表面能減弱了晶粒晶界偏聚降低了晶界的表面能減弱了晶粒間的結(jié)合力，加速晶界微孔的形核與長大；間的結(jié)合力，加速晶界微孔的形核與長大；鎖住了晶界不能動，只能形成晶界微孔來鎖住了

8、晶界不能動，只能形成晶界微孔來消除位錯堆積；消除位錯堆積；阻礙了晶界遷移和動態(tài)再結(jié)晶，而晶界遷阻礙了晶界遷移和動態(tài)再結(jié)晶，而晶界遷移和動態(tài)再結(jié)晶有利于恢復塑性。移和動態(tài)再結(jié)晶有利于恢復塑性。武漢科技大學1()( )exp()()nAijijjijE TTt TtK TTti和tj分別是第j個臺階的等溫時間的溫度( )ciiXB D T t( )()iijjDc T tDc T t0exp(/)ADDEKT00exp(/)exp(/)AiiAjjDEKT tDEKT texp()/ijAijijttE TTKTTi1Texp()/nijAijijittETTKTT總（ ）( )ciiXB D T

9、 tTi tiTj tj4.14.1）不同）不同退火溫度退火溫度磷晶界偏聚規(guī)律磷晶界偏聚規(guī)律4.24.2）不同）不同退火時間退火時間磷晶界偏聚規(guī)律及磷晶界偏聚規(guī)律及機制機制4.34.3）磷與硼的）磷與硼的競爭偏聚規(guī)律競爭偏聚規(guī)律2022-2-5武漢科技大學4. Ti-IF4. Ti-IF鋼中磷的晶界偏聚行為鋼中磷的晶界偏聚行為2022-2-5武漢科技大學 4.1 不同溫度退火磷的晶界偏聚規(guī)律4. Ti-IF4. Ti-IF鋼中磷的晶界偏聚行為鋼中磷的晶界偏聚行為圖圖4.1 不同退火溫度測量的典型俄歇譜不同退火溫度測量的典型俄歇譜kkkiiiSHSHC假設俄歇譜上元素峰高比與其濃度成正比，假設俄

10、歇譜上元素峰高比與其濃度成正比，元素的濃度（原子百分比）元素的濃度（原子百分比）Ci可以寫成可以寫成 式中式中Hi和和Si分別表示分別表示i元素的俄歇峰高比和敏感因子，元素的俄歇峰高比和敏感因子，其中其中HiHp/HFe703 真實的晶界濃度為：真實的晶界濃度為：C1=2Ci-Cg Ci是測試計算值，是測試計算值，Cg是晶內(nèi)濃度。是晶內(nèi)濃度。每個試樣至少測每個試樣至少測20個晶界，求平均值個晶界，求平均值4.1 不同溫度退火磷的晶界偏聚規(guī)律圖圖4. 2 實驗鋼在不同溫度退火實驗鋼在不同溫度退火180sec后后P的晶界偏聚濃度的晶界偏聚濃度2022-2-5武漢科技大學4.2 4.2 不同退火時間

11、磷的晶界偏聚規(guī)律不同退火時間磷的晶界偏聚規(guī)律圖圖4.3 實驗鋼實驗鋼810退火不同時間俄歇譜退火不同時間俄歇譜4.2.1 4.2.1 不同退火時間磷的晶界偏聚規(guī)律不同退火時間磷的晶界偏聚規(guī)律圖圖4.4 實驗鋼退火不同時間磷晶界偏聚動力學曲線實驗鋼退火不同時間磷晶界偏聚動力學曲線4.2.2 磷的晶界偏聚機制2022-2-5武漢科技大學圖圖4.5 P原子與位錯形成的原子與位錯形成的Cottroll氣團模型氣團模型2022-2-5武漢科技大學4.2.2 磷的晶界偏聚機制圖圖4.6 小角度晶界的高分辨像及電子衍射小角度晶界的高分辨像及電子衍射 4.2 .24.2 .2磷的晶界偏聚機制磷的晶界偏聚機制2022-2-5武漢科技大學3.2 Ti-IF鋼不同溫度再結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變（a)冷軋態(tài)（b)655 （c)740（d)810圖圖3.3 Ti-IF鋼冷軋及不同溫度退火鋼冷軋及不同溫度退火100secTEM分析分析2022-2-5武漢科技大學4.2.2 磷的晶界偏聚機制圖圖4.7 大角度晶界及其晶界上位錯分布大角度晶界及其晶界上位錯分布2022-2-5武漢科技大學4.3. 4.3. 不同退火時間磷與硼的競爭晶界偏聚不同退火時間磷與