鋼中位錯(cuò)密度分析

位錯(cuò)密度分析一．位錯(cuò)密度對(duì)管線鋼性能的影響管線鋼的強(qiáng)化方式主要包括晶界強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等，其綜合強(qiáng)化效果可用Hall-Petch公式的修正式表示[1]：其中：σs為管線鋼的屈服強(qiáng)度；σ0為原鐵素體強(qiáng)度；σsh為固溶強(qiáng)化產(chǎn)生的強(qiáng)度；σph為由沉淀強(qiáng)化產(chǎn)生的強(qiáng)度；σdh為由位錯(cuò)強(qiáng)化產(chǎn)生的強(qiáng)度；σth為由織構(gòu)強(qiáng)化產(chǎn)生的強(qiáng)度；d為晶粒尺寸。圖1為管線鋼強(qiáng)化方式示意圖。從圖中可以看出對(duì)于高鋼級(jí)管線鋼，通過增加位錯(cuò)密度來提高強(qiáng)度已經(jīng)成為了管線鋼強(qiáng)化的重要方式。圖1管線鋼的強(qiáng)化方式[1]圖2高鋼級(jí)管線鋼TEM照片[2]通過透射電鏡對(duì)X70、X80以及X100管線鋼的位錯(cuò)形態(tài)進(jìn)行觀察,三個(gè)級(jí)別管線鋼的位錯(cuò)形態(tài)有較大差異。X70鋼位錯(cuò)密度最低(見圖2(a)和圖2(b));X80鋼位錯(cuò)密度較高,未見亞結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)(見圖2(c)和圖2(d));X100鋼的位錯(cuò)纏結(jié)在一起,形成了較明顯的胞狀結(jié)構(gòu)(見圖2(e)和圖2(f))。TEM照片中,鐵素體組織較明亮,位錯(cuò)密度較低,而貝氏體組織位錯(cuò)密度較高,顏色更深。圖2(e)顯示的是一個(gè)厚度約為200nm的貝氏體板條,其周圍有較多的位錯(cuò)纏結(jié)。圖2(f)中,在X100級(jí)管線鋼中形成了位錯(cuò)胞,強(qiáng)烈地釘扎著晶界,同時(shí)這種胞狀結(jié)構(gòu)可以看成是對(duì)晶粒的進(jìn)一步細(xì)化[2]。圖3金屬?gòu)?qiáng)度與位錯(cuò)密度之間的關(guān)系從圖3中可以看出位錯(cuò)密度對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響。可見，僅僅是在位錯(cuò)密度增加的初期，金屬的實(shí)際強(qiáng)度下降；位錯(cuò)密度繼續(xù)增大，則金屬晶體的強(qiáng)度又上升。這是因?yàn)槲诲e(cuò)密度繼續(xù)增加時(shí)，位錯(cuò)之間會(huì)產(chǎn)生相互作用：1）應(yīng)力場(chǎng)引起的阻力，如位錯(cuò)塞積，當(dāng)大量位錯(cuò)從一個(gè)位錯(cuò)源中產(chǎn)生并且在某個(gè)強(qiáng)障礙（晶界、析出物等）面前停止的時(shí)候就構(gòu)成了位錯(cuò)的塞積；2）位錯(cuò)交截所產(chǎn)生的阻力；3）形成割階引起的阻力（兩個(gè)不平行柏氏矢量的位錯(cuò)在交截過程中在一位錯(cuò)上產(chǎn)生短位錯(cuò)）；4）割階運(yùn)動(dòng)引起的阻力。研究表明，金屬的塑性變形抗力的增加與位錯(cuò)密度之間有如下關(guān)系：其中：α為強(qiáng)化系數(shù)；G為切變模量；B為泊氏矢量；ρ為位錯(cuò)密度。二．位錯(cuò)密度分析方法1.TEM觀察目前廣泛應(yīng)用透射電子顯微鏡技術(shù)直接觀察晶體中的位錯(cuò)。晶體中有位錯(cuò)等缺陷存在時(shí)，電子束通過位錯(cuò)畸變區(qū)可產(chǎn)生較大的衍射，使這部分透射束的強(qiáng)度弱于基體區(qū)域的透射束，這樣位錯(cuò)線成像時(shí)表現(xiàn)為黑色的線條。用透射電子顯微鏡觀察位錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)是可以直接看到晶體內(nèi)部的位鍺線，即使在位錯(cuò)密度較高時(shí)，仍能清晰看到位錯(cuò)的分布特征。位錯(cuò)是晶體中的線缺陷。單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度稱位錯(cuò)密度。若將位借線視為彼此平行的直線，它們從晶體的一面均延至另一面，則位錯(cuò)密度便等于穿過單位截面積的位錯(cuò)線頭數(shù)。即：式中，ρ為位錯(cuò)密度（位錯(cuò)線頭數(shù)/cm2）；A為晶體的截面積（cm2）；n為A面積內(nèi)位錯(cuò)線頭數(shù)。2.XRD法[3]晶體材料位錯(cuò)的描述,一般采用Mosaic模型,包括水平關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度、垂直關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)角度和傾轉(zhuǎn)角度四個(gè)變量,而螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)兩種主要位錯(cuò)的密度都可用這四個(gè)變量得到。螺位錯(cuò)密度為：當(dāng)考慮刃位錯(cuò)在晶體中的隨機(jī)分布時(shí)，其密度：當(dāng)考慮刃位錯(cuò)只分布在鑲嵌結(jié)構(gòu)顆粒的邊緣時(shí)，密度為：其中，bc為位錯(cuò)的泊氏常量；αtilt為傾斜角；αtwist為傾轉(zhuǎn)角；為水平關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度。利用Williamson-Hall(WH)作圖法測(cè)量這四個(gè)參數(shù)。WH法的線性擬合公式：式中，F(xiàn)WHM表示各掃描峰的半峰寬；和分別代表垂直、水平關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度；θ為衍射角；λ為X射線波長(zhǎng)；αt表示鑲嵌結(jié)構(gòu)傾斜角；εin為生長(zhǎng)方向上的非均勻應(yīng)變。通過XRD的和ω掃描，可以得到了五個(gè)晶格應(yīng)變的分量，結(jié)合水平和垂直方向的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度，可以得到位錯(cuò)密度的信息。3.正電子湮滅技術(shù)[4]正電子在完整晶格中的湮沒稱為自由態(tài)的湮沒。若晶體中出現(xiàn)缺陷，如空位、位錯(cuò)等缺陷，則入射的正電子束一部分發(fā)生自由態(tài)湮滅，另一部分則被缺陷捕獲湮滅。大多數(shù)情況下，正電子—電子對(duì)（簡(jiǎn)稱為湮沒對(duì)）湮沒后變成兩個(gè)g光子。若湮沒時(shí)湮沒對(duì)靜止，則根據(jù)能量守恒與動(dòng)量守恒可知，兩個(gè)光子將沿180°相反方向射出，每個(gè)光子的能量為：式中，m0電子靜止質(zhì)量；c為光速；EB是正電子-電子之間的束縛能，通常略去不計(jì)。計(jì)算得E0約等于511keV。由于在金屬缺陷處的電子能量較低，于是看5111keV的γ光子多普勒能譜窄化。缺陷的尺寸和密度均影響能譜的窄化程度。假設(shè)晶體中存在位錯(cuò)和空位兩種缺陷，則多普勒展寬能譜線形參數(shù)S應(yīng)該是包括自由態(tài)湮滅在內(nèi)的三種湮滅部分的權(quán)重平均：其中，Sp是正電子全部在完整晶格湮滅的S值；Sd是全部被位錯(cuò)捕獲湮滅的S值；Sv為全部被空位湮滅的S值；N0是單位時(shí)間射入樣品的正電子數(shù)；Np，Nd，Nv分別是單位時(shí)間在完整晶格湮滅、位錯(cuò)捕獲湮滅、空位捕獲湮滅的正電子數(shù)；N0=Np+Nd+Nv。令λp、qd，qv，分別為正電子在完整晶格的湮滅速率（等于正電子在完整晶格湮滅壽命τp的倒數(shù)）、位錯(cuò)捕獲速率、空位捕獲速率，則帶入（1）式，得如果試樣中僅含有位錯(cuò)一種缺陷，則：由此得出位錯(cuò)的捕獲速率：如果試樣中含有位錯(cuò)和空位兩種缺陷，把（5）式帶入（3）可以得出空位的捕獲速率，其中λp，Sp、Sd、Sv、Sd、S均可以從實(shí)驗(yàn)獲得，再根據(jù)缺陷濃度對(duì)正電子捕獲速率正比于缺陷群毆你孤獨(dú)，從而可以算出試樣的位錯(cuò)密度和空位濃度。參考文獻(xiàn)[1]GrayJM,FazackerleyWJ.Technicalchallengesandmetallurgicalaspectsofhighstrengthlinepipe.37thannualconferenceofmetallurgists,1998.[2]陶鵬，張馳，楊志剛.高鋼級(jí)管線鋼的組織和力