一种含稀土高温合金偏聚行为的动态原位分析和晶界强度理论研究.doc

钢铁研究总院硕士学位论文一种含稀土高温合金偏聚行为的动态原位分析和晶界强度理论研究姓名：杨春申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：朱衍勇20070501 的分析 认为， 蚅 谋 砻 嫫 劬 哂 衅 胶 馄 厶 卣 鳎鴆的偏 聚 具有 非平 衡 偏 聚 特征。不 同 时效 时间的深 度 分布曲线 表 明 ， 保温 初 期样 品表 层迅 速 形 成 一层富、 韵 富集 层， 保温 时间较短 时这 个 富集 层与 基 体之 间存 在 较为明 显的界 面 ， 保温 时间较长时界 面 变 模糊 。富集 层中 ， 、 的浓度 低 于 基 体浓度 ， 随保温 时间的延长， 、 的浓度 会 降 低 ， 而富集 的、 的浓度 则 升 高。 甐 瓵 甌 甌 甌 ， 第 一章文 献综述 鬚 矿 猵 一 尸 数 在两相中均 成立 。 时 和 嗷 ， 脑 黾 拥 贾 翪 升 高 。 另 一 方面 ， 当 南 即 。鬏 等 型 発。 胁 咖一涸冢籨咖历 啦： 热力学 平 衡浓 度，这 是 平 衡晶 界偏 聚 的显 著特征。 毒 一 警 一 错 悔 等 式 的 基 础 上，建 立 了 描述 从 温 度 冷 至 谖 露 萒偏 聚 动 力学 模 型。 试样 经高 温 固 溶 处 理 后，迅 速淬 火 并 在较低 温 度 下恒 温 时效 ，晶界附 近的 空位将被 吸收 ，以 达 到 较低 温 度 下的 平 衡 浓度 。 空位浓度 的 降低 导致 复合体 分解为空位和 溶 质 原 子 ，使 复合体 浓度 下降。 远 离 晶界 的 区 域 ，过饱和 空位将再次与 溶质 原 子 结 合形成复合体 ，引 起 复合体 浓度 升 高 。 结 果，在晶界 与 远 离 晶界 的 区 域 之 间产 生 了 复合体 浓度 梯 度 ，此 浓度 梯 度 驱 使 复合体 向 晶界 扩散 ，导致 过量 溶 质 原 子 富 集到 晶界 上形成非 平 衡 偏 聚 。 当 晶界 溶 质 浓度 超 过其平 衡 浓度 时，溶 质 原 子 将在过饱和度 的 驱 动 下从 晶晃 向 晶内 反扩散 。 偏 聚 过程初 期，以 复合体 向 晶界 扩散 为主导，但 其扩散 流 量 随时间 延 长 而降低 ，而 溶 质 原 子 的 反扩散 流 量 则 随时间 延 长 而增 加。 因 此 ，恒 温 过程中必 定 存 在一 个 临界 时间 ：复合体 的 扩散 流 量 与 溶 质 原 子 的 反扩散 流 量 相 平衡 ，晶界 上溶 质 浓度 达 到 最大值 。 若 恒 温 时间 短 于 此 临界 时间 ，非 平 衡 偏 聚 处 于 偏 聚阶段 ，以 复合体 向 品 界 的 扩散 为主； 若 长于 临界 时间 ，非 平 衡偏 聚 则 处 于 反偏 聚 阶段 ，以 溶 质 原 子 向 晶内 的 反扩散 为主，晶界 上溶 质 偏 聚 浓度 逐 渐 降低 ，最后回 到 其热 力学平 衡浓度 。 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文其中为基 体 中溶 质 原 子 扩散 系数 ， 8春 咸 謇凳 瑀 为平 均 晶粒半径 ，：一籧 ：矿 州 口 ” 许多 类 型 的 材 料， 如 金属 、合金等 ， 都 存 在沿 晶 界断 裂 现 象 。 对于 沿 晶 界开 裂 ，晶 界的 黏 结 性、开 裂 所 需的 最 大 力和 产生单 位面积 的 界面所 做 的 功等 物 理 参 数 ， 在分析 开 裂 相 互作用 过 程 非 常 重 要。 晶 界区 化 学 成分 在很大 程 度 上 影响了 晶 界断 裂 倾 向 ，进而 影响材 料的 强度 和 韧性 。 所 以 能够 解 释晶 界偏聚 导 致 晶 界结 合强度 变化 的 过 程是 重 要的 ， 这 一 方面的 研 究 因近 年 来测 量晶 界和 内界 面上 原 子的 成分 和 状 态 的 实验方法 的 发 展， 得 到加 强和 提 高。 目前， 研 究 晶 界结 合力主 要从 两个 方面展开 ， 一 个 是 基于 热力学 理 论【 】 ， 另一 个 是在原 子和 电 子尺 度 上 基于 现 代 量子理 论的 研 究 。 。 热力学 研 究 对于 吸附 引 起脆性断 裂 问 题有很大 帮 助 ， 因为它 考 虑了 溶 质 或 杂 质 原 予 偏聚到内界 面上 对界面结 合力的 影响， 以 及偏聚 过 程 动力学 决定 的 偏聚 程 度 的 影响。 垂 阂 粂 ： 尸 一 刀 。 一 。 一 。 鱣 一 图 溶 质 原 子 涤耄 值 的 关系 飞哆托 时 ， 断裂过程中单位 面 积 的 所 需 的 断裂功为 聚 而 钉 扎 位错 ， 不是 因 为 在 晶 界 上 偏聚 而 形成 沉 淀 。同 时， 热 衔 #躊对 变辖 鸬 某 志 眯阅 苡 幸 妫 此鸷霫给 出的是 基体而 不是 晶 界 坑 牒 辖 鸪 志 檬倜 涞 墓叵 怠 矶嘌 芯空 呷衔 #琍、 钢 中加 入稀土 元 素 主要 起 微合 金化 的作 用 ， 其 中以 固 溶 强 化 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文学 键 合 力 模 型【 谋湓 K卮 驶 颇 汀 盜， 文 献 总结及 本 文 的研 究 内容 和 目 的稀 土 元素 作 为一种特 殊 的微量 元素 ，添 加到 合 金中 能 够 有 效改善 合 金的性 能 ，无论在 铁合 金还 是 在 其 他 合 金中 ，稀 土 的添 加量 都 存 在 一个最佳 值 ，产生 这种现 象 的原因一般被归 结为，对 合 金组 织 的改变 和 析 出相形 态 的改善 等。 但 是 这类解释只 是 在 一定 的条 件下 才 成 立 ，然 而 最佳 添 加值 的存 在 却 是 一个普 遍 的现 象 。 对 于 所 有 合 金，添加过 量 的稀 土 对 性 能 都 是有 害 的，这种普 遍 现 象 的背后是 否 还 存 在 其 它更 深层次原能 的影响 ，针 对 稀 土 在 品界 或 界 面上 偏聚的动力 学 特 征 和 分 靠特 征 的研 究 也很 少。 聚的行为特 点和 分 布 特 征 ，为材 料 的研 发 和 生 产提 供 参 考。 理 论模 型 的的质 量密 度是 话 愣 嗑 闹 柿 棵 芏 仁 縞 。 对 纳 米 铁高 温 退火使其晶 粒长 大到 一 般 多 晶 体的晶 粒尺寸， 即 通过 退火将 大部分 晶 界移 除 ， 其质量又回 到一 个 重 要 的性质 ， 因 为它是 理 解 晶 界某些 性质 的非 常 重 要 的基 础 。 比 如同 一 多 晶 材料 理 论中 只 考虑 最临首 先讨 论一种 极端的情况， 即所 有溶 质 原 子 偏 聚到 晶 界 上 占据的都是空 位位置 ，要对原 有模型 进行 改进， 并获得 新的断 裂 功 的表 达 式。晶 界 区 存 在 空 位时 ， 单 元 合 金 的断 裂 功 为 当 一个空 位与 酉 嗔 谑保 衔狝 原 子 在 指向 空 位方 向 上 的键 是一个悬键 ， 断 裂过程中 该 悬键 能量 不 发 生变 化， 对断 裂 功 没有贡献。 万飞 ；， 晃 醷 【灰浴 换置 一吉以】 五 是此 时 晶 界 区 的空位浓 度 。对于 同一种 类型 的晶 界 ， 假 设在 没。 ： 换 匪 鑓 涣 压 幸 霍 差却 引阮 ，近似 方鹫， 则溶 质原 子 偏 聚引起的断裂 功 的变 化近似 为驴 一弧!猒 觥 !R弧二滤 褚 二芋 。 ， 一 ， 则有由 于 砰一示 ， 只 不 过此 时 式中 的 。 是晶 界 区 空 位的浓 度 和 可 以 容下 溶 质 原 子 的间 隙的浓 度 之 的 模型具 有更 广的 应用范 围 。 本 文 只是对 晶界的 模型进 行 了 改 进 ， 添加了 空 位， 没有改 变其 它 初始 假设 条 件 ，并且推导 过 程 中 仍然 是运 用 的 推导 方 法， 也 没有添加 理 论与热 化学 理 论之间 的 关 系 问 题， 认为 在 奖 泶铮 蚣 隙 学 理 论对 断 裂过 程 的 描 述是等 价 的 。 当 表 面悬键有明 显 的 应力 释放时 ， 则 不能 使 用键 批猠尸籒 可 以 看出这里 定 义 的 与 式推导过 程 中 定 义 的 具 有相 同 的 物理 含义 ，以 就 二图 郊扑愕 牟 煌 跫 聀随 偏聚量 变化曲 线 暑唬海唤忻螅弧畓啬图 设 定条 件结 合力 之 间的关 系方程 。 图 中 给 出 了在 不 同 设 定条 件 下 二元 合金 中 ，晶界 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文达 的对 应 关 系，图 中 的横 坐 标 可 以 用基 体 含 量 代 替 。 图 的横 坐 标 用基 体 含 量代 替 之 后，不 会引起曲 线形 状 的改变 。 因而，在 图 中 设 定的条 件下 ，微 量 元 素 在 合金 中 存在 一 个 对 应 于 曲 线最高 点的最佳 添加量 ，当 添加量 大 于 最佳 添加量时，随 微 量 元 素 添加量 的增加对 晶界结 合力 的提 高 效果 降低 ，增加到 一 定程 度 反 过 来会降低 晶界结 合力 。 式表 明 ，影 响 最佳 添加量 大 小的因素 包 括 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文 辖 鸬 某志 煤 腿浔 湫 阅芎蚉 的基 体 含 量 与合金 持久关 系，很 好 的支 持了上述 观点。文 献【 】 研 究 财坌形 J保 竦 昧 薱 訮的晶界偏 聚 有抑 制 作用，并将 理 论时 ，通 过 理 论计 算 给 出 了提 高 和 降低 晶界脆 巴 毒鬻。 浴妫 堋 本章 小 结 n瘴 患 尤爰 隙 理 论的 模 型 中 ， 在不 改 变 原 有 理 论假设 的 基础 上 作 为上 述 实 验 方 法探 索 性实 验 的 一 部 分 ，在 综 合考 虑 各 方 面 因 素 之后 ，首 先选择 已 经 成为 一 种 重 要 的表 面分析技术。 目 前使 用 较 为 广 泛的表 面分析方 法是 、 电 子 能 量 可以 表 示为 ：一， 如 恳 】俄歇 电 子 强 度 能 ， 是激 发源 的 能 量 。进 行 高空 间 分辨 率 的 微 区 分析 时 ， 也 可采 用 的 激 发能 量 。 图 俄 歇 电子 能 谱 仪 测 量 系统 的 结 构 对 样 品进行逐 层剥 离， 以 得到洁 净 表面 或 获取 成 分 的 深度 分 布 情况。电子 枪包括 发射 电子 的 电子 源和 电子 光 学 系统 。 通常 采用的 电子 源有 三 种， 包括钨 灯丝 、六 硼 化 镧 灯丝 和 场发射 电子 源。 目 前 最 常 用的 是 六 硼 化 镧 灯丝 ： 新一代 的 俄歇 电子 能 谱 仪 多 采用场发射 电子 源， 其 优点 是 束斑 小 、亮 度 强 、空 间 分 辨 率高。 电子光 学 系统 的 作用是 引 出、会聚、偏 转电子 束。 定性分析 旦 ：土若 甦 已 知 ， 则 可 确 定 。 由 、 两 式 可 得耳 丽 一 纵向 剖 面图 的 分析 仪 器 损坏 ，因 此 ，必 须 全面 熟 练 地 掌 握 各个实 验 操 作 过程 。操 作 过程 的 有关 注意 事 项 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文 ; 螅 ;郝 週 扑 糠 涞缌 鳎 话 分钟 左右 升 至 ，在 较高 加 速电 压 下， 采用 较小的 焦 距能 获 得 良 好的 信噪 比， 但 图像清 晰度 较差。电 信号； 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文图 加 热 控温系 统 结 构示 意 图加 热 控温系 统 设计 了 自 动 调 节 温度 和 手动 调 节 温度 两 种 工作 方 式。 在 自 动 调 节 方数 字 调 节 器 会 按照设 定 的 工艺 曲线自 动 完 成 温度 控制。 手动 调 节 主要 是 通过 实 时 调 节 料 晶界 强 度： 运 用 其 原 子 半 径大的特点引 起晶格 畸 变 ， 改 变 其 它 元 素的扩 散迁 移及其 在 晶界 的偏聚 行 为 ， 从而 改 善 材 料 性 能 ； 改 变 高温 下空位的迁 移率， 提高材 料 的高温 蠕 变 性 能 。 但 是 到底哪种 作用 机 理 占主 导地 位， 是 否 在 某 种 情 况 下发 生 转 变 ， 稀土 元 素和杂 质、 合金 元 素之间 的相 互 作用 关系 如 何， 怎样 受 成分 、 温 度等 的影响， 以及偏聚 位置 是 否 与 材 料 晶粒 组 织 结 构 、 晶体 取 向存 在 某 种 关系 等 等 这 些直 接 关系 到材料 的成 分 和工 艺 设计 的深 层 次问题， 一 直 没 有 获 得 很 好 的解 决。 因 此 ， 本次实验选 用含 稀 土 的镍 基 高温 合金 作为 实验材 料 。 表 两 种 材 料 的热处 理 工 艺 图 热处 理 前 辖 鸬 腟 照 片 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文图 热 处理 后 未 溶 解 的惦 疦 腁能 谱元素 的面 分 布分析图 实 验过 程流 程图金 相 和 加 热 样品 的制备 面 分 布分 析是 在动态 原 位分 析结 束 后 在室 温 下 进 行 的。 实 验方法 如 下 ， 通 过 移动在以上分 析中 ， 电 子 束 的加 速电 压都 是 。 于 保温 前的浓 度 缤 珻 、 在 保温 过 程 中 表 现 出 的偏 聚 趋 势 与 第 一 ， 黑兰 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文横 坐 标 为 保温 时 间 ， 纵 坐 标 为 浓 度巍二一 抽 横 坐 标 为 保温 时 间 ， 纵 坐 标 为 浓 度 心 寻毫横 坐 标 表 示 溅射 时 间 ， 葑 瓯 硎 九龋 纵 坐 标 表 示 峰 高比，图 后 的 深 度 分 布曲线 横 坐 标 表 示 溅 射 时 间 ，纵坐 标 表 示 浓 度能是 一 层 化 物 。 实 验中 并 没 有 获 得 在 表 面 分 布不均的 现 象，因 而 ，分 析认 为 这层 化 物 在 表 面 某 些 区 域 形 核之后 沿 表 面 方向长大过程 进行 的 非 常 快，甚至 化 物 析出 可 能是 在 整 个 表 面 同时 发生 然 后 向内 部 长大，富 集层 的 形 成过程 中富 集元 素 沿 表 面 方向的 扩 散 迁移 基 本可 以忽 略。 如果 化 物 的 形 成经 过了 一 个 较慢的 形 核和横 向长大过程 ，由于 表 面 扩 散 系 数 要 比 体 扩 散 的 系 数 高很 多，形 核区 外 的区 域 的 在 形 核时 会向形 核区 扩 散 聚集，造 成 在 表 面 分 布不均匀 ，如果保温 时 间 较短时 ，这种 不均匀 分 布就会保 留下 来 ，并 能够 测 量到 。 高的 表 面 能。 从相 变 的 驱 动 力 角度来 看 ，高的 表 面 能使 表 面 处 在 较高的 位势 ，一 旦 满足 了 发生 相 变 的 动 力 学 因 素 饕J俏 露 ，表 面 就会发生 相 交 。 在 保 温 温 度下 ，由于 相 变 的 驱 动 力 很 高，相 变 的 临 界 形 核功 比 较低 ，甚至有 可 能是 无势 垒形 核【 叫 ，相 变可 以在 整 个 表 面 上 近 乎 同时 发生 ，而 不需 要 通 过首 先 在 某 些 位置 先 形 核然 后 再 逐渐 长大的 过程 。富 集层 的 迅 速 形 成需 要 富 集元素 向富 集区 扩 散 的 速 度非 常 快 ，样 品的 淬 火 热处 理提 供 了 快速 扩 散 的 条件。 从固溶 温 度 直 接 淬 火 至室 温 ，材 料中 保 留了 大量过饱 和的 空 位，空 位和溶 质 原 子 之间 有 很 强 的 相 互作用 ，容 易 结合成空 位一 溶 质 原 子对 。 再 次 将样 品加热至较高温 度，表 面 附 近 的 过饱 和空 位会迅 速 向表 面 扩 散 并 消 失，溶 质 原 子 在 空 位的 拖动 下 迅 速 向表 面 扩 散 富 集。 另外 ，过饱 和的 空 位浓 度还会使 没 有元素 在 界 面 前 端有 贫化 区 域 ，因 而 相 变 过程 不是 扩 散 控 制 的 相 交 ，而 是 界 面 控 制 的 相碳化 物 的 形 貌 观 察实 验曾获 得 ，大尺 寸薄 膜状 的 型 碳化 物 快速 在 晶 界 面 上 以形 成 钢 铁研 究 总院硕士 学 位论文的 不同，成分 的 突 变 没 有 那么 明 显 了 ，说 明 保 温 过程 中