（材料学专业论文）变形及热处理对因瓦合金组织与性能的影响.pdf

摘要 本文针对某彩管厂生产的显示器荫罩存在抗跌落性能不合格的 问题，模拟该厂现场生产加工工艺路线，通过分析冷变形及热处理对 因瓦合金组织及性能的影响，发现因瓦合金经8 0 0 退火2 0 m i n ，2 3 冷变形，5 0 0 。c 二次退火2 0 r a i n 后具有较好的综合性能，其抗拉强度 为5 4 2 m p a ( 钒) ，显微硬度为2 0 3 h v o o s ，伸长率为3 9 ( 6 ) ，满足 了荫罩所用材料的力学性能的要求( 抗拉强度5 0 0 m p a 、硬度 1 7 0 h v ) ，达到了通过冷变形及热处理改善因瓦合金组织及力学性能 的目的，有效地解决了荫罩抗跌落性能差的问题，为实际生产确定了 一条较佳的生产加工工艺路线。 为了满足因瓦合金作为特殊结构材料使用方面的需求，向合金中 加入t i 、a l 强化元素，开发出高强度并具有较好塑性及较低的线膨 胀系数的新型合金。这部分工作是采用真空高频感应熔炼技术制备了 一系列成分的f e 州i c o t i 一( a 1 ) 合金，并借助光学金相显微镜( 0 m ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、x 射线衍射技术( x r d ) 、 线膨胀系数测试仪、电子万能拉伸试验机、显微硬度计等手段研究了 各成分合金铸态、变形态、固溶及时效态的显微组织，力学性能，线 膨胀系数及相分析，分析讨论了热变形及热处理对含不同a 1 t i 比 ( a 1 t i = 0 、0 2 、0 6 、1 0 、1 4 ) 的f e - n i - - c o 系合金组织及性能的 影响。得到如下结论： 向f e 州i - c o 系合金中加入a 1 、t i 等元素，经固溶时效处理后， 合金强度及硬度提高的程度随a 1 t i 比和固溶温度的不同而变化；其 中加入a 1 t i 为0 6 时，合金经9 8 0 固溶l h ，6 5 0 时效8 h 后的综 合性能最好，其抗拉强度为1 2 0 2 1 d p a ，显微硬度为4 3 3h v 。，伸长率 为9 7 ，线膨胀系数为5 5 1 0 1 c ( 2 1 2 0 0 ) 。 关键词：因瓦合金，荫罩，热处理，力学性能，显微组织 h i 中南大掌硕士学位论文 a b s t r a c 丁 a b s t r a c t a i m e da td i s q u a l i f i c a t i o no fa n t i d r o p p i n gp r o p e r t ye x i s t e di nc o l o r e l e c t r o n i cc o n s o l es h a d o wm a s k sp r o d u c e db yap l a n t ，s y s t e m a t i c e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e db ys i m u l a t i n gt h ea c t u a lp r o c e s so f t h i sp l a n t t oa n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fc o l dd e f o r m a t i o na n dh e a t - t r e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fi n v a ra l l o y i tr e s u l t st h a ta f t e rt r e a t m e n t o fa n n e a l i n ga t8 0 0 f o r2 0m i n u t e s t h e nd e f o r m e dw i t h2 3 d e g r e e a n da n n e a l i n ga t5 0 0 f o r2 0m i n u t e s t h ec o m b i n a t i o np r o p e r t i e so f a l l o yw a si m p r o v e d i t st e n s i l es t r e n g t h ，m i e r o h a r d n e s sa n de l o n g a t i o n w a sa b o u t5 4 2 田a ( o b ) ，2 0 3 h v o 0 5 ，3 9 ( 6 ) ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hr e a c h e d t h er e q u e s to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( t e n s i l es t r e n g t h 5 0 0 m p a ， h a r d n e s s 17 0 h v ) o fs h a d o wm a s k , a c h i e v e dt h ea i mo fi m p r o v i n g m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fi n v a ra l l o yt h r o u g hc o l dd e f o r m a t i o n a n dh e a t - t r e a t m e n t ，s o l v e d p o o ra n t i d r o p p i n gp e r f o r m a n c ep r o b l e m e f f e c t i v e l ya n dp r o v i d e da b e t t e rp r o c e s st e c h n i q u ef o ra c t u a lp r o d u c t i o n f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt om e e tt h ei n v a ra l l o ya ss p e c i a ls t r u c t u r a l m a t e r i a l s o m ee l e m e n t ss u c ha st i 、a 1w i 廿ls t r e n g t h e n i n ge f f e c tw e r e a d d e di n t ot h ea l l o y , f l e wt y p ea l l o yw i t hh i 业s t r e n g t h ，g o o dp l a s t i c i t y a n dl o w e rl i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n tw a se x p l o i t e d w h i c h ，s e r i e so f f e - n i - c o - t i 一( a 1 ) a l l o y s w e r e p r e p a r e db y v a c u u mh i 曲f r e q u e n c y i n d u c t i o nm e l t i n gm e t h o d o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) 、s c a n n i n ge l e c t r o n i c m i c r o s c o p e ( s e m ) 、t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) 、e n e r g y s p e c t r o m e t e r 、x - r a yd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e ( x r d ) 、l i n e a rd i l a t o m e t e r 、 e l e c t r o n i ct e n s i l et e s t e ra n dm i c r o h a r d n e s st e s t e rw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t e t h ea s c a s t 、d e f o r m e d 、s o l u t i o na n da g i n gt r e a t e dm i c r o s t r u c t u r e 、 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n d p h a s ec o m p o n e n t o fa l l o y s ，t h ei n f l u e n c eo fh e a td e f o r m a t i o na n dh e a t - t r e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ff e - n i c os y s t e ma l l o y sw h i c hc o n t a i n d i f f e r e n t a i t ic o n t e n t r a t i o ( a l t i = 0 、0 2 、0 6 、1 0 、1 4 1w e r ed i s c u s s e d t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： a f t e rt h ef e - n i c os y s t e ma l l o yw i t ht h ea d d i t i o no f a la n dt iu n d e r w e n ts o l u t i o nt r e a t m e n ta n da g i n gt r e a t m e n t , i m p r o v e m e n tw a sd i f f e r e n t i v 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t w i t hd i f f e r e n ta 1 t ir a t i oa n ds o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ef e - n i c os y s t e m a l l o yw i t l la i h0 6t r e a t e du n d e r9 8 0 cs o l u t i o nf o r1h o u ra n d6 5 0 。c a g i n gf o r8h o u r sh a db e s tc o m b i n a t i o np r o p e r t i e s t e n s i l es t r e n g t hw a s 1 2 0 2 m p a ，m i c r o h a r d n e s sw a s4 3 3 h v 0 0 5 ，e l o n g a t i o nw a s9 7 ，l i n e a r e x p a n s i o nc o e f f i c i e n tw a s5 5 x 1 0 - 6 c ( 2 1 2 0 0 。c ) k e yw o r d s ：i n v a ra l l o y , s h a d o wm a s k , h e a t - t r e a t m e n t , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r e v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：当啤一魄堕年月4 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段 保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交 学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提 供使用。 作者签名：立墅复一导师签名：谧日期：业上月j 互日 n 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 因瓦合金是1 8 9 6 年g u i l l a u m e 为大地测量仪寻找一种长度不随温度波动而 变化的金属材料时发现的。他是在熔炼了许多铁镍合金之后，在试验镍含量为 3 0 , - 6 0 的合金的过程中，发现含3 6 n i 的合金的室温热膨胀系数最小( 见图 1 1 ) 。这种特殊的合金为f e e 结构，具有反常的力学和磁性能，因其长度不随 温度改变而被命名为因瓦合金【j 卅。 1 1 因瓦合金的分类 到目前为止，已经发现相当数量的因瓦型合金。这些合金显示大的自发体积 磁致伸缩，具有较低的线膨胀系数，按照合金中的成分可以分为经典因瓦合金、 超因瓦合金、高强度因瓦合金及含硒因瓦合金。 经典因瓦合金是指f e - 3 6 n i 的合金。当合金中含有杂质元素时，镍要作相应 调整，才能得到最低的膨胀系数值。t i 、m n 、c r 的加入，要相应提商镍的含量； c u 、c o 、c 的加入，要相应降低镍的含量。f e 一3 6 n i 合金中加入c 、m n 、c r 、 t i 、c u 等不同的元素都会增高合金的热膨胀系数( q ) 。碳的浓度对升高最为 明显，铜影响最小。另外，碳还会使材料尺寸的稳定性变差。在f e - 3 6 n i 合金二 元素范围内，铁和镍都能形成单一的y 固溶体。 超因瓦合金是在f e 3 6 n i 因瓦合金的基础上，用钴替代部分镍。因为添加 钴以后，提高了合金的居里点，使合金在相同的使用温度下，具有比因瓦合金更 低的膨胀系数。不同的镍、钴含量搭配，会得到不同的热膨胀值。在f e n i 3 2 c 0 4 c u 合金的基础上加入少量铌，可使合金中碳和其它一些元素形成微细化合物，在合 金中里点状均匀分布。铌还能固定游离碳，故而获得稳定的低膨胀特性。 高强度因瓦合金是在f e - n i - c o 基体中加入适量钛，经过热处理，形成n i 3 ：n 弥散析出物，使之在1 0 0 - + 1 0 0 温度范围内既具有较低热膨胀而且具有较高 强度的弥散硬化型合金。如f c 3 5 n i s c o 啊合金，室温1 0 0 线膨胀系数a 3 6 1 0 - 6 c ，抗拉强度为1 1 5 0 m p a 。 含硒的因瓦合金是在经典因瓦合金( f e 3 6 n i ) 基础上加入o 1 - - 0 2 5 s e ， 同时合理搭配锰与硒的含量( 既改善合金热加工性能，又不至于增加合金热膨胀 系数) 。因经典因瓦合金，用高速钢或碳化钨钢刀进行材料的切削加工时，由于 粘刀，使刀具的使用寿命短，而且加工工件的表面粗糙度难以达到要求而向经典 因瓦合金中加入适量的s e 以改善合金的切削性能。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2因瓦合金的特性 因瓦型合金的特性有：热膨胀系数小，例如f e ( 3 0 - - 4 0 ) - n i 合金，在从 高温冷却到居里点的过程中，由于磁致伸缩所引起体积膨胀，低温引起体积收缩， 二者常温附近抵消，从而使合金的线膨胀系数接近于零。表l - l 为经典f e 3 6 n i 合金不同温度范围的膨胀系数、表1 2 为超因瓦合金不同镍钻含量的膨胀系数； 饱和磁化强度m s 急剧偏离斯雷特泡令曲线；m s 有很大的负压力依赖性；居里温 度有很大的负压力依赖性；除显示很大的体积磁致伸缩( 9w 9h ) 外，磁化强 度温度曲线、高磁场磁化率、电阻、低温比热、弹性率和超声波吸收等也都显 示异常【2 】。 表1 - 1f e 一3 6 n i 合金不同温度范围的膨胀系数 温度范围。c膨胀系数a 1 0 - 6 。温度范围膨胀系数q x 1 0 6 。 1 9 6 2 0 1 3 8 2 1 2 0 0 2 4 5 1 2 6 1 81 9 82 l 也s 03 6 l - 6 0 2 1 1 7 62 1 3 0 05 1 6 - 4 0 一之1 1 7 52 1 3 5 06 5 2 - 2 0 2 l1 6 22 l 4 0 07 8 0 o 2 11 5 82 1 4 5 08 8 0 2 1 5 01 0 62 l 6 0 09 7 3 2 l l o o 1 4 0 2 l 5 5 0 1 0 3 7 2 1 1 5 0 1 9 3 2 1 6 0 0 1 0 9 7 表1 - 2 超固瓦合金不同镍钴总量与膨胀系数 c oo3 54445 5 6 6 组成 n i3 6 53 43 2 53 33 3 53 1 53 2 53 0 53 1 5 n i + c o 3 6 5 3 7 53 6 53 73 7 53 6 53 7 53 6 53 7 5 om l c x1 0 1 20 3约00 40 5约00 5约00 1 1 3 国内外因瓦合金研究与发展概况 自从1 8 9 6 年c m i l l a u m e 发现因瓦合金以后，人们对其进行了大量的研究， 涉及这一问题的各个层面。主要包括对因瓦合金线膨胀系数、磁性能、焊接性能、 强化措施及合金的制备方法的研究。 1 3 1因瓦合金线膨胀系数的研究 在早期研究阶段，人们即已注意到因瓦合金的反常热膨胀与其磁性有着密切 2 中南大学硕士学位论文 的关系。于是人们展开了对其磁性能和热膨胀系数方面的研究。研究发现因瓦合 金的热膨胀反常是从居里温度( 约为2 4 0 c 1 ：q ) 以下开始。比较一下这种行为和 一般金属中由非谐晶格振动所引起的热膨胀，发现体积随着自发磁化的发生而膨 胀。这种体积膨胀是由自发体积磁致伸缩所引起的，而因瓦合金所具有的自发体 积磁致伸缩足够大，在冷却时磁致伸缩引起的体积增加，补偿了冷却时所引起的 体积减小，以至可以抵消通常由晶格振动所引起的热膨胀。林政认为导致因瓦合 金低膨胀的原因是在正常的热膨胀过程中叠加了磁性行为的变化，从而引起负膨 胀的结果【2 3 8 9 1 。有人研究指出在居里温度以下因瓦合金热膨胀系数随着温度 的升高而提高。f e n i 合金的膨胀系数的精确值除与n i f e 比率密切相关外( 见 图1 2 ) ，还受到其它一些因素的影响。通过向合金中加入某一合金元素来提高合 金的居里点温度，使合金的饱和磁化强度达到某一值，并尽量减缓饱和磁化强度 随温度升高而降低的速度，加宽原子磁矩的作用温度范围，可以提高低膨胀高温 合金的低膨胀特性及使用的最高温度t 9 j o 】。有人研究出用3 的c o 代替3 的 n i ，既不增加膨胀系数，又可提高合金的居里温度，从而加大了合金低膨胀系数 的温度范围。与此同时有人还认为热膨胀系数随着杂质含量的增加而增大；并且 热处理和冷加工能明显改变因瓦合金的膨胀性能。该合金的热膨胀系数，充分退 火者最大，淬火者最小，冷加工能降低该合金的膨胀系数。因瓦合金通过冷加工 可使膨胀系数达到可以忽略不计的程度。通过淬火的冷加工有可能使该合金产生 零甚至负的热膨胀系数，然而这种效应不会保持很长，除非进行稳定化退火，如 在比使用温度高5 0 - , - 1 0 0 ( 2 的温度下，保持2 , - 4 h ，随后缓慢冷却【l ”。 p 2 l _ * 誓 图1 - 1 不同温度下f e - h i 合金的热膨胀系数图1 - 2 镍铁合金在2 0 0 c 下的膨胀系数 1 3 2 因瓦合金磁性能的研究 因瓦合金的突出特点是具有低的热膨胀系数和尺寸稳定性。但是随着器件的 灵敏度不断提高，器件的小型化和多功能化迫切需要研究既有很低的热膨胀系 一i-zb1)#iii。l。藿墨笔墨蔷ie每ill 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 数，也有较好的磁性能的传感器材料。特别是材料的磁导率对温度的稳定性，直 接影响到器件的灵敏度【1 2 1 。于是人们展开了对因瓦合金磁性能方面的研究。通过 研究发现，环境温度高于常温时，因瓦合金的磁学性能变低，而环境温度低于常 温时，磁学性能变高。因为在环境温度较低时，系统的能量比较低，电子磁矩受 热运动的干扰比较小，所以施加外磁场后磁矩比较容易实现趋向排列。相反环境 温度较高时，系统的能量比较高，电子磁矩受热运动的干扰比较大，因此施加的 外磁场能量中的一部分被热运动的能量所抵消，从而外磁场的有效作用能量就减 小了，这样就不利于磁矩的取向化【1 3 1 4 1 。向因瓦合金中添加3 的钴和o 6 的 铜有利于改善合金磁性稳定性f 1 2 】。向4 2 2 9 合金中添加微量铜有利于提高合金的 饱和磁感应强度【1 5 1 。通过适当的热处理可以使铁镍合金磁各向异性减弱并且使分 布趋于均匀，从而可以有效地提高磁导率，使材料均匀化，微结构磁各向异性及 其分布梯度明显减弱，降低了材料的矫顽力【1 6 1 。 1 3 3 因瓦合金焊接性能的研究 随着f e 3 6 n i 因瓦合金在液化石油气储气罐和大型飞机复合材料模具方面的 应用，合金的焊接性能变得十分重要。于是人们展开因瓦合金焊接性能方面的研 究。早期的f e 3 6 n i 因瓦合金焊接性能研究主要是解决焊接熔池周围凝固时产生 裂纹的问题，解决的方法主要是在因瓦合金焊丝中加n 、m n 等合金化元素，同 时增加c 的含量，典型的化学成分为：3 6 n i ，3 m n ，1 t i ，o 1 c ，余为f e 。 因瓦合金焊丝中加入面和m n 的主要作用是：( 1 ) 防止焊接热裂；( 2 ) 作为脱 氧剂；( 3 ) 形成稳定的高熔点硫化物；( 4 ) 防止焊缝在受热过程中热裂纹的产生， 这源于啊和m n 沉淀物对晶界移动的钉扎作用。在焊接方法上的研究，主要采 用低热量焊接方法，如气体保护钨电极弧焊( g t a w ) 和激光焊接，有利于防止 焊接裂纹的产生。但当要求高的生产效率时，就采用高热量焊接方法，如气体保 护金属极电弧焊( g m a w ) 和埋弧焊( s a w ) ，但是这种焊接方式要求焊丝的s 、 p 含量十分低，s 含量应 o 0 0 2 ，以防止热裂纹的产生。在高热量方式焊接时 t i 、m n 因瓦合金焊丝并不是最合适的焊丝，最近发现了一种新的因瓦合金焊丝， 用n b 代替t i 和m n ，其典型的化学成分为3 6 n i ，1 5 n b ，0 2 c ，余为f e ， 这种焊丝可有效防止高热焊接方式焊接f e - 3 6 n i 因瓦合金时产生热裂纹。为了进 一步阐明和量化因瓦合金的焊接过程的冶金学现象，所以采用一种简单的扩散模 型用来进行f e 3 6 n i 因瓦合金热影响区的研究。该模型最初由a s h b y 和e a s t e r l i n g 提出，在因瓦合金研究中这个模型被证明非常有效。用图像分析方法获得的有关 因瓦合金热影响区的晶粒度和计算值之间非常吻合( 如图1 3 ) 。f e 3 6 n i 因瓦合 金有别于其他材料的单相结构和低的晶界活化能是这一结果的主要原因【1 7 埘】。 4 中南大学硬士学位论文 第一章文献综述 黑 喜 图卜3 热影响区晶粒尺寸的计算和测量值图卜4f o - 3 6 n i 合金b e 含量砷l t e 的影响 1 3 4 提高因瓦合金强度的研究 随着时代的进步、科技的不断发展和人民物质生活水平的提高，因瓦合金的 应用范围越来越广泛，其用量会大幅度的增长。近年来对于线膨胀系数小的高强 度结构材料的需求日益增长，而因瓦合金的强度和硬度都不高，为了满足这一需 求，人们开始着手于提高因瓦合金强度方面的研究陋2 3 1 。因因瓦合金是单一的 奥氏体组织，热处理对其强度的提高起的作用不大 2 4 5 1 。于是有人试图在合金 中导入加工诱发马氏体相变，通过获得马氏体组织来强韧化合金，但是因瓦合金 一发生马氏体转变其线膨胀系数急剧增加。也有人试图用气体化学热处理法将氮 渗入合金中来强化合金，但在固溶体内渗入元素氮，将导致因瓦合金性能的不稳 定性，且限制了这种合金在某些制件中的应用。在成分接近f e - 3 6 n i 的合金中加 入碳，因碳在奥氏体的f e - n i 合金中，使合金的硬度增大，在塑性变形过程中产 生加工硬化。但因碳在固溶体中的重新分布，导致f e - n i - c 系物理性能不稳定， 提高了线膨胀系数。因此，为提高因瓦合金的强度而不影响其低膨胀性能，必须 采用其它强化手段闭。而合金的强化主要是通过向合金中加入其它合金元素，使 之产生强化效应。这些强化效应主要包括细晶强化、晶界强化、固溶强化、时效 沉淀硬化和弥散强化。细晶强化主要是通过阻止晶粒长大，细化晶粒，从而改善 合金的力学性能。向合金中加入微量z r 元素，由于z r 可以形成第二相质点而在 晶界附近析出，起到钉扎晶界的作用，从而影响晶界的移动速度，导致合金的再 结晶温度显著提高，抑制再结晶后晶粒的长大，起到细晶强化作用 2 7 2 8 。细晶 强化效应一般指在等强温度( 晶界强度等于晶内强度时的温度) 以下的强化效应。 当试验温度较高时，细晶强化效应不再存在，反而会使蠕变和断裂抗力下降。这 是因为晶粒愈细，晶粒交界面愈大，故易于使沿晶的蠕变行为的进行。而且当温 度升高和应变速率降低时，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界区的积塞 中南大学硕士学位论文 位错容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑动及迁移。这样，高 温形变条件下晶界就成为薄弱环节，而在高温下晶界变为薄弱环节直接与晶界结 构有关。于是有人利用晶界强化理论，通过净化晶界杂质和控制晶界的形态及其 析出相的形态来强化合金。合金中一些微量元素和一些杂质元素是典型的晶界偏 析元素，其平均含量极小，但由于偏析，使其在晶界区浓度较高，其结果导致对 晶界的强化或弱化。此外，合金的有害杂质元素往往是低熔点的，与基体元素形 成低熔点化合物或共晶体。为此，提高合金的纯洁度和微合金化成为当前改善合 金性能的重要措施。首先是严格控制气体( 氮、氢、氧) 含量，对磷、硫的控制 也早己引起重视；其它杂质元素的控制逐渐严格，如铋、碲、硒、铅、铊等。而 有益的微合金化元素，主要是稀土元素、镁、钙、硼、锆、铪等。胡壮麒等研究 发现p 在合金凝固过程中的偏析倾向很大，并促进其它元素的偏析和有害相的析 出，降低合金的凝固速度和终凝温度，合金的终凝温度的降低对于合金的加工、 处理及使用性能都会造成十分有害的影响。p 不溶于n i ，可以与n i 形成多种低 熔点化合物，如n i 3 p ，n i 5 p 2 ，n i 6 p 5 等，其中n i 3 p 的熔点最低，只有8 8 0 0 。p 能降低n i 晶界结合力，p 在合金基体中的溶解度很低，降低晶界能的作用很强 烈 2 9 3 0 】。有人向因瓦合金中加入微量b 元素来强化晶界【3 1 3 2 1 。因b 原子尺寸与 基体元素的原子尺寸相差较大，所以b 能偏聚在晶粒界面上。b 在晶界上能固定 有害的杂质元素( 如硫) ，能阻止碳化物m 2 3 c 6 在晶界的聚集，抑制微裂纹的形 成。b 可以归并到晶格中，导致晶界移动的扩散过程被阻止或延缓了，从而起到 强化晶界的作用。向合金中加入微量b 后，一方面硼原子填充到晶界，增强了 晶界结合力，从而增强了晶界抵抗蠕变断裂的能力，提高了持久寿命。同时硼元 素的添加促使在y y 界面上形成排列规则的位错。如果合金中y 相数量多，在 y y 界面上产生的位错也就愈多，从而有效地提高了合金的强度 3 3 - 3 7 。也有人 研究向合金中加入稀土元素。微量稀土的加入对提高合金抗氧化性能起到良好的 作用。稀土元素原子较大，在合金中固溶度低，因此多沿晶界、相界分布，有时 以稀土化合物的形式存在。如形成稀土氧化物、稀土硫化物、稀土氧硫化物等。 这抑制了杂质元素如s 、p 、s n 等向晶界的偏聚，强化了晶界。另外也阻止了氧 在晶界的扩散。晶界在氧化过程中为优先形核区域，同时也是金属阳离子重要的 短程扩散通道。稀土原子或稀土化合物堵塞了通道，使氧沿晶扩散困难，尤其是 在实验温度高或随时间延续时，氧化物分子互相挤压，扩散通道逐渐被堵塞，氧 化过程就主要由晶内扩散控制。王荣明等研究发现向合金中加入y ，晶内和晶界 的片状沉淀相增多，提高了合金对应力加速晶界氧化脆性的抗力和合金的缺口持 久性能，微量y 也可以明显改变合金的显微组织形态，影响合金的共晶区。 也有人向合金中加入m g ，利用m g 可将比其原子错配度小的替代式溶质原子从 6 中南大学碗士学位论文第一章文献综述 晶界驱逐到晶内，从而减少相关的晶界析出相；在晶界引起的附加点阵畸变可加 剧碳、硼等间隙原子向晶界的偏聚；当间隙原子同某些替代式溶质原子的亲和作 用较强时，m g 将这些溶质原子从晶界驱逐到晶界析出相中，从而增加晶界析出相 的数量 4 0 l 。也有人利用固溶强化理论，向合金中加入一些合金元素，使奥氏体基 体合金化而得到强化，其作用实质是溶质原子的长程应力场( 科氏气团) 和位错 的交互作用阻碍位错运动，增大位错运动的阻力，使临界分切应力远比纯金属大， 滑移系开动也比纯金属困难。使塑性变形抗力提高，强度、硬度上升，而塑性和 韧性下降。显然，这种作用的效果取决于溶质原子与基体原子的错配度。溶质原 子与基体的失配程度越大所起的固溶强化作用也越大。对于相同的基体金属，不 同的溶质元素其强化效果差别很大：( 1 ) 在溶解度范围内，溶质元素含量越高， 则强化效果越大；( 2 ) 溶质与溶剂原子半径差越大，造成的晶格畸变也越大，则 强化效果越高；( 3 ) 间隙式固溶体的强化效果明显地大于置换式的强化效果【4 l 】。 陈国胜发现向g h 2 8 7 1 合金加入w 、m o ，除可以产生固溶强化作用外，还可以 显著减慢y7 的长大速率，提高强化效果，并阻止y 向l l 相转变，提高长期使 用性能【4 2 】。同时有人利用时效沉淀硬化原理，向因瓦合金中加入0 5 1 b e ， 通过在时效过程中从f e e 的奥氏体相中沉淀析出具有b e e 点阵结构的n i b e 相， 从而使合金的硬度和强度增加，但b e 的加入会导致合金的膨胀系数升高，因此 合理加入b e 的量引起人们关注。图l - 4 为b e 含量与l t e 的关系，图1 5 为n i 、 b e 含量与l t e 的关系，图1 - 6 为f e - n i b e 合金时效温度与硬度关系的曲线。综 合以上试验结果分析，随着b e 含量的提高，应适当增加n i 含量，以保证合金有 较低的膨胀系数。虽f e - n i b e 合金有良好的综合性能，但是b e 元素的毒性高， 需采用特种设备熔