6晶界与晶界偏聚

溶质原子的晶界偏聚材料与冶金学院袁泽喜2010.06目录0前言0.1研究意义0.2残留元素的来源及钢中残留趋势1平衡晶界偏聚•1.1平衡晶界偏聚机制•1.2平衡晶界偏聚热力学•1.3平衡晶界偏聚动力学2非平衡晶界偏聚•2.1非平衡晶界偏聚机制•2.2非平衡晶界偏聚热力学•2.3非平衡晶界偏聚动力学3、大冷变形再结晶退火时的晶界偏聚3.1偏聚现象3.2偏聚机制3.3临界时间计算3.4竞争偏聚前言我国钢铁工业现状我国未来钢铁原料潜在的危机国产铁矿共生低熔点元素偏高废钢中低熔点元素积累愈来愈严重低熔点元素对钢铁材料的危害磷、锡、锑、铋晶界偏聚行为稀土、硼对低熔点元素偏聚抑制作用回火脆性硅钢的晶界与表面偏聚对织构度的影响蠕变过程中的脆性断裂焊接过程中的冷脆性铜合金中铋偏聚镍基高温合金中硫偏聚核反应堆中辐照过程中的脆性连铸热塑性与横向裂纹金属材料的晶间腐蚀一、研究意义金属材料非硬化脆化产生的原因：铜合金中的铋元素镍基高温合金中的硫元素钢中磷、锡、砷、锑、铋等等残留元素的晶界偏聚残留元素的来源1、矿石中的共生元素2、冶炼过程所添加辅料中00.10.20.30.40.51985199019952000200520102015年度Cu含量，％型钢，最大值型钢，最小值棒钢，最大值棒钢，最小值00.0050.010.0150.020.0251985199019952000200520102015年度Sn含量，％型钢，最大值型钢，最小值棒钢，最大值棒钢，最小值钢中残留元素的积累1.平衡晶界偏聚•1.1平衡晶界偏聚机制弹性畸变能引起平衡晶界偏聚泡沫模型D.Mclean理论（热力学）•N个未畸变的点阵位置有P个溶质原子占据，另有n个畸变位置p个溶质原子占据。假设一个溶质原子进入未畸变位置引起的畸变能E,而进入一个畸变位置引起的附加畸变能e，因此，由此引起的自由能是：•G的极小值为：ln!!ln()!!()!!GpePEkTnNnppNPPlnnpPeEkTpNPexp()pPEenpNPkT平衡晶界偏聚热力学/BIxPN/Ixpn0IG畸变区的溶质浓度---未畸变区的溶质浓度---卡/克分子代替（E-e）当考虑振动熵并假定基体溶质浓度很低时，00exp(/)1exp(/)BIIIBBIIIAxGRTxxAxGRT平衡晶界偏聚理论D.Mclean理论武汉科技大学•热力学公式)exp(10RTGxxxIBIII0IG估算困难未涉及偏聚元素之间化学作用平衡晶界偏聚动力学平衡晶界偏聚动力学2110922212122225264/9)4()4exp(1ttDdtdDterfcdDtxtβ-富集比d-晶界厚度Mcleann平衡偏聚动力学晶界偏聚理论平衡晶界偏聚理论平衡偏聚动力学曲线武汉科技大学•1、镁在铝中扩散系数：D=0.58×e-30100/RTcm2s-1•Mg的浓度0.01at%,α2=30，d=8×10-8cm，求240℃偏聚达到平衡浓度一半所需要的时间？•2、若规定偏聚达到平衡浓度一半所需要的时间为107s时的温度为偏聚冻结温度，Cu在Al中的扩散系数D=0.28×e-26200/RTcm2s-1，α2=100，d=8×10-8cm，求Cu的冻结温度。推导出冻结温度公式。平衡晶界偏聚习题•非平衡晶界偏聚理论•AustAnthonyFaulknerXu.tingdong非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论晶界偏聚理论I+V=C降温保温偏聚解聚武汉科技大学硼偏聚非平衡晶界偏聚理论)exp()()(KTEEKTEEEECTCfbbfbfbBmb非平衡晶界偏聚动力学动力学曲线武汉科技大学)](4/[)/ln()(2iciccDDDDRTt临界时间测量晶界溶质偏聚量的方法俄歇能谱仪径迹显微照相TEM法元素晶界偏聚对热塑性的影响晶界偏聚导致脆性的发生晶界偏聚降低了晶界的表面能减弱了晶粒间的结合力，加速晶界微孔的形核与长大；锁住了晶界不能动，只能形成晶界微孔来消除位错堆积；阻碍了晶界迁移和动态再结晶，而晶界迁移和动态再结晶有利于恢复塑性。武汉科技大学阶梯曲线1()()exp()()nAijijjijETTtTtKTTti和tj分别是第j个台阶的等温时间的温度公式推导()ciiXBDTt()()iijjDcTtDcTt0exp(/)ADDEKT00exp(/)exp(/)AiiAjjDEKTtDEKTtexp[()/]ijAijijttETTKTTi1Texp[()/]nijAijijittETTKTT总（）()ciiXBDTtTitiTjtj4.1）不同退火温度磷晶界偏聚规律4.2）不同退火时间磷晶界偏聚规律及机制4.3）磷与硼的竞争偏聚规律2020/4/13武汉科技大学4.Ti-IF钢中磷的晶界偏聚行为2020/4/13武汉科技大学•4.1不同温度退火磷的晶界偏聚规律4.Ti-IF钢中磷的晶界偏聚行为图4.1不同退火温度测量的典型俄歇谱kkkiiiSHSHC假设俄歇谱上元素峰高比与其浓度成正比，元素的浓度（原子百分比）Ci可以写成式中Hi和Si分别表示i元素的俄歇峰高比和敏感因子，其中Hi＝Hp/HFe703真实的晶界浓度为：C1=2Ci-CgCi是测试计算值，Cg是晶内浓度。每个试样至少测20个晶界，求平均值4.1不同温度退火磷的晶界偏聚规律图4.2实验钢在不同温度退火180sec后P的晶界偏聚浓度2020/4/13武汉科技大学4.2不同退火时间磷的晶界偏聚规律图4.3实验钢810℃退火不同时间俄歇谱4.2.1不同退火时间磷的晶界偏聚规律图4.4实验钢退火不同时间磷晶界偏聚动力学曲线4.2.2磷的晶界偏聚机制2020/4/13武汉科技大学图4.5P原子与位错形成的Cottroll气团模型2020/4/13武汉科技大学4.2.2磷的晶界偏聚机制图4.6小角度晶界的高分辨像及电子衍射4.2.2磷的晶界偏聚机制2020/4/13武汉科技大学3.2Ti-IF钢不同温度再结晶组织转变（a)冷轧态（b)655℃（c)740℃（d)810℃图3.3Ti-IF钢冷轧及不同温度退火100secTEM分析2020/4/13武汉科技大学4.2.2磷的晶界偏聚机制图4.7大角度晶界及其晶界上位错分布2020/4/13武汉科技大学4.3.不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏聚行为图4.10实验钢退火不同时间典型俄歇谱图4.3.不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏聚行为图4.11实验钢退火不同时间硼和磷晶界偏聚浓度2020/4/13武汉科技大学4.3磷与硼的晶界竞争偏聚行为图4.12磷原子与硼原子形成的Cottrell气团