（材料加工工程专业论文）316不锈钢和工业纯铝的晶界结构优化研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文利用电子背散射衍射花样( s e m - e b s d ) 和取向成像显微( o n “) 技 术分析冷轧变形量、退火温度和保温时间等参数对3 1 6 不锈钢和工业纯铝晶界 特征分布的影响，探讨了退火孪晶和层错能与低重位点阵晶界( c s l ) 大量 形成之间的内在联系，并对3 1 6 不锈钢晶界结构优化前后的合金的抗晶界腐蚀 性能进行试验对比和分析。 实验结果表明：热轧态3 1 6 不锈钢经固溶处理后冷轧变形5 ，再在1 0 5 0 。c 加热保温3 0 r a i n 水淬后，低一c s l 晶界比例可提高到8 3 8 ，且3 ”晶界比例 占总体低c s l 晶界比例的9 3 6 ，晶界结构得到了显著优化；在低一c s l 晶 界比例较高的试样的o i m 图中，存在3 一9 一3 和3 z 9 一z 2 7 三叉晶界，该种 晶界的三个晶粒之间存在特定的取向关系；晶间腐蚀浸泡实验表明，热轧态样 品经固溶处理后，其腐蚀速率降低为原来热轧态样品的1 1 0 ，晶界结构优化后 的试样的腐蚀速率降低为原来热轧态试样的1 3 0 ，与固溶处理试样相比又降低 了近2 3 ，这是由于低c s l 晶界的分布有效的阻断了随机晶界的网络连续性， 使材料的抗晶间腐蚀性能明显提高；工业纯铝经加工处理，低- c s l 晶界比例 能达到4 4 2 ，与3 1 6 不锈钢相比，3 “晶界比例较低，其他低c s l 晶界比 例较高，这是由于工业纯铝的层错能较高，形成孪晶的几率较小，不利于低 一c s l 晶界的形成，虽然可以通过控制冷轧变形量、退火温度和保温时l _ i l j 来促 进孪晶界的形成，提高3 “晶界的比例，从而提高低一c s l 晶界的比例，但其 提高幅度仍然是有限的。 关键词：电子背散射衍射；晶界特征分布；低重位点阵晶界；3 1 6 不 锈钢；工业纯铝 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sc o l d r o l lr e d u c t i o n ，a n n e a l i n g t e m p e r a t u r ea n dt i m e ，o ng r a i nb o u n d a r yc h a r a c t e rd i s t r i b u t i o n ( g b c d ) i n3 1 6 s t a i n l e s ss t e e l s ( s s ) a n dc o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u mw e r es t u d i e db ym e a n so f e l e c t r o nb a c k - s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) a n do r i e n t a t i o ni m a 舀n gm i c r o s c o p “o i m ) t e c h n i q u e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na n n e a l i n gt w i na n dh i g hf r e q u e n c yo c c u r r e n c e o fl o w c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e ( c s l ) g r a i nb o u n d a r yw a sa l s oa n a l y z e da n dt h e i n t e r g r a n u a r c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f31 6 s sb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nw a s e x a m i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r e q u e n c yo f l o w c s lg r a i nb o u n d a r i e si n31 6 s s c o u l db ee n h a n c e dt o8 3 8 b y5 p r e s t r a i na n da n n e a l i n ga t1 0 5 0 。cf o r3 0 m i n u t e sa f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n ta n dt h ea m o u n to fe 3 “b o u n d a r i e sw a sd o m i n a n ti n t h el o w 一c s lp o p u l a t i o n ( 9 3 6 ) g r a i nb o u n d a r ys t r u c t u r ew a so p t i m i z e d o b v i o u s l y t r i p l ej u n c t i o n ss u c ha s1 2 3 - 1 2 9 1 2 3a n de 3 一1 2 9 1 2 2 7c o u l db ee a s i l yf o u n d i nt h eo i mo ft h es p e c i m e n sw h i c hh a dh i 【曲f r e q u e n c yo fl o w 一c s lg r a i n b o u n d a r i e s ，a n dt h e r ea r es p e c i f i co r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p sa m o n gt h eg r a i n s a s s e m b l e db yt h et r i p l ej u n c t i o n s t h er e s u l t so ft h ei n t e r g r a n u a rc o r r o s i o nt e s t d e m o n s t r a t e dt h a tt h ei n t e r g r a n u a rc o r r o s i o nr a t eo ft h eo p t i m i z e ds p e c i m e nw a s d e c r e a s e dt h r e et i m e sa sc o m p a r e dw i t ht h es p e c i m e na f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n t t h e h i g l li n t e r g r a n u a rc o r r o s i o nr e s i s t a n c er e s u l t e df r o ma no p t i m u mg b c d ，i e t h e d i s t r i b u t i o no fah i 曲f r e q u e n c yo fl o w - c s lg r a i nb o u n d a r i e sd i s r u p t e dt h e c o n t i n u i t yo f r a n d o mb o u n d a r yn e t w o r ki nt h em a t e r i a l t h ef r e q u e n c yo f l o w 一c s l g r a i nb o u n d a r i e si nc o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u mc o u l db ei n c r e a s e dt o4 4 2 b y c o l dr o l l i n ga n dh e a t t r e a t m e n t b u tt h e 丘e q u e n c yo f1 2 3 “g r a i nb o u n d a r i e sw a s m u c h l o w e ri nc o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u mt h a nt h a ti n 31 6 s s b e c a u s et h eh i g h e r s t a c k i n gf a u l te n e r g yo fp u r ea l u m i n u mw a su n f a v o u r a b l ef o rf o r m i n ga n n e a l i n g t w i n ，c o r r e s p o n d i n g l y , t h ec h a n c ef o rt h ef o r m a t i o no fl o w 一c s lg r a i nb o u n d a r i e s w a sd e c r e a s e d a l t h o u g ht h ef r e q u e n c yo fl o w 一c s lg r a i nb o u n d a r i e si n v i 上海大学硕士学位论文 c o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u mc o u l db ei m p r o v e db yc o n t r o l l i n gt h e c o l d r o l l r e d u c t i o n ，a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e ，t h ei n c r e m e n t w a sl i m i t e d k e y w o r d s ：e l e c t r o n b a c k s c a t t e r d i f f r a c t i o n ；g r a i nb o u n d a r y c h a r a c t e r d i s t r i b u t i o n ；l o w c o i n c i d e n c es i t el a t t i c eg r a i nb o u n d a r y ；3 1 6 s t a i n l e s ss t e e l s ；c o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u m v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i 筵日期：型丝望 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：可霞导师签名： 阻日期：竺i 丝孥 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 晶粒边界，又称晶粒间界，或简称晶界，是指多晶体材料中相邻两晶粒之间 的过渡区域。从三维空间来说，晶界不仅是两晶粒问的界面，而且是具有一定厚 度的过渡层。晶界存在于一切多晶体材料中。绝大部分的金属工程材料都是多晶 体，其性能在很大程度上取决于单个晶粒、晶界的性能以及二者的统计分布特征。 晶界两侧晶粒的晶体学取向的变化决定了晶界结构的特殊性。许多与晶界相关的 物理、化学和力学性质都与晶界结构和晶界特性有着非常紧密的联系。因此，对 于晶界结构的研究一直为材料研究者们所重视，并在工程材料的开发和利用中占 有很重要的地位。 1 1 晶界特征分布和晶界工程 绝大部分的金属工程材料都是多晶体，多晶结构材料的晶界特征分布对其性 能起着关键性的影响，如材料中发生的晶间断裂、腐蚀、合金及杂质原子的偏聚、 扩散、蠕变等问题都与晶界结构和晶界特性有着非常紧密的联系。因而在上个世 纪8 0 年代日本学者w a t a n a b e i 】就提出了晶界特征分布( g l a i n b o u n d a r y c h a r a c t e r d i s t r i b u t i o n ，简称，g b c d ) 即多晶材料中各种类型晶界的相对分布f 随机晶界与 重位晶界的含量多少及空间分布) 优化的概念，他指出：通过合金晶界特性分布 中增加某些特殊结构并具有特殊性能的晶界的比例，使合金的整体性能得到显著 改善，尤其是抗晶界失效性能( 包括抗晶界腐蚀性能) 得到改善。近代晶界结构 的理论研究已建立晶界结构的模型和现代理论，对晶界类型和结构已作出明确的 分类和描述，将晶界分为三类 2 1 ：小角度晶界( 包括亚晶界) 、重位点阵晶界( 即 低值晶界) 和无规( 随机) 大角度晶界。w a t a n a b e 所说的具有特殊结构和性 能的晶界是指低( 2 9 ) 的重位点阵( c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e ，简称，c s l ) 晶界。 由于当时缺乏晶界结构测试表征的简便技术，晶界特征分布优化研究在上世纪八 十年代进展缓慢。上世纪九十年代，随着多晶材料晶界结构测试表征技术的成熟 【3 】，应用电子背散射衍射( e l e c t r o nb a c ks c a t t e r i n gd i f f r a c t i o n ，简称，e b s d ) 测 定晶体微区取向后构建取向显微图，称为取向图像显微术( o r i e n t a t i o ni m a g i n g 上海人学硕士学位论文 m i c r o s c o p y ，简称，o i m ) ，这些分析技术的发展为研究晶界工程问题提供了极 为有效的研究手段。针对改善某些金属材料抗晶界腐蚀性能的重大工程问题， g p a l u m b o 等人在重申“基于低c s l 晶界的晶界结构优化”之重要性的同时【”， 率先在低层错能的面心立方金属6 0 0 合金的晶界特征分布优化研究中取得突破 5 1 ，继而形成了“晶界工程( g r a i nb o u n d a r ye n g i n e e r i n g ，简称，o b e ) ”这一 研究领域6 1 。该领域的研究内容包括：研究晶界的结构及特性；研究控制并提高 低一c s l 晶界( 小于z 2 9 的c s l 晶界) 这种“特殊晶界”所占比例的工艺方法： 研究与晶界相关的一些性能与低一c s l 晶界所占比例之间的关系，通过提高低 y - , - c s l 晶界所占比例的这种方法来改善材料的相关性能。在材料制各过程中通过 对晶界进行调节控制，用这种方法来改善材料的性能有着重要的作用。尽管目前 对控制低一c s l 晶界的机理还不十分清楚，但通过控制变形和退火参数，可以 明显增加低c s l 晶界的份额，也可以明显改善相关的使用性能。 l i s o v s k i i 和f i o n o v a 7 1 发现具有立方结构的某些材料具有类似的晶界特征分 布，根据材料的晶体结构、孪晶的形成、e e ，值( e 。一共格孪晶能量，e r 一随 机晶界能量) 和层错能这四个方面的差异，大体可分为三组：( 1 ) 铜、镍、镍一 铬合金和不锈钢等；( 2 ) 铝：( 3 ) 铁、钼和铌等。对于不同组材料，晶界特征分布 可用具有不同参数的一个经验规律来描述，即：r = 女? 1 ，其中f ：为晶界的 百分比，k i 和n i 是常数，每组材料的k i 和n j 值不一样。本试验为了探讨层错能对晶 界特征分布的影响，选取第一组材料中的3 1 6 不锈钢和第二组材料工业纯铝进行 研究和比较。 1 2 低重位点阵晶界的结构及特性 1 2 1 重位点阵晶界的概念 重位点阵晶界的概念最早是k r o n b e r g 和w i l s o n 在研究铜的二次再结晶行 为时提出的。后来，b r a n d o n 等人嗍在试图解释某些含杂质物质中出现的某些大 角晶界时，对c s l 晶界做了明确定义： 取充满整个空间的一个理想点阵。设想它是由两套完全重合的点阵构成，两 套点阵分别标记为a 和b 。由此态出发，令点阵a ，b 相对转动一个有限角度。此 2 上海大学硕士学位论文 时，整个空间由转动后的a ，b 两个点阵所占据。转动以后再进行适度的平移， 造成a ，b 点阵中有一个阵点位置相互重合。当转动r ( u ，0 ) ( u 为点阵a ，b 转动公 共轴的单位矢量) 为某些特定值时，有一部分属于点阵a 的阵点与属于点阵b 的阵 点出现重位。由于点阵a ，b 都是周期的，所以它们相重合的那些阵点在空间也 将是周期排列，即这些重位点的集合将构成另一个空间点阵，称为重位点阵，简 记为c s l 。 显然，c s l 晶界中重合阵点数占原阵点数的比例越高，则表明该晶界中原子 排列的有序度越高。为此，用重合阵点数占原阵点数之比例的倒数 ( = 百篙靠 ； ) 来表示c s l 晶界的原子排列有序度，值越小，则c s l 晶界 的原子排列有序度越高( 对于立方晶系一定是奇数) 。图1 1 是面心立方晶体绕 ( 1 0 0 ) 晶轴转动3 6 9 0 形成= 5 的重位点阵的示意图。 口 。 凸 。 口 - ，。 2 9 的c s l 晶界的结构有序度己很低，等同于一般大角度晶界，不具有特殊的性质。 上海人学硕士学位论文 的一个重要环节。根据r a n g a n a t h a n t l 0 1 的矩形单胞对称旋转法，我们可以精确确 u v w 转动0 角度形成了一个重位点阵，那么变换矩阵 a 】应满足如下关系： c 爿，= c o s 口 i ；j + c 一c o s 曰，f t w ：芝- 。： i ；嚣 + s i n 口 妻! 。 c ， ( 1 1 ) 式中的、v ，和是 u v w 】单位矢量的三个分量，即- - u ( u 2 + v 2 + w 2 ) 。 = ( 萤薹耋 = 当 耋耋耋 一一c 固 + ：a ，b 表示不同旋转条件下得到具有相同值的重位点阵 当然，在判定某一晶界是否为重位点阵晶界的时候允许旋转轴和旋转角存在 一个角度偏差。目前人们普遍认同b r a n d o n 8 】和p a l u m b o a u s t “1 分别提出的两个 标准，他们提出的把指定晶界判定为某一值的重位点阵晶界的最大角度偏差分 别如下： a h a a x 15 0 z 1 2 4 ( 1 3 ) 上海大学硕上学位论文 1 2 3 低重位点阵晶界的特性 ( 1 4 ) 由于低一c s l 晶界的结构有别于一般大角度晶界( 或高c s l 晶界) ，因 此这类晶界就具有某些有别于一般大角度晶界的特殊性质或性能。概括起来讲， 这些特殊性质或性能主要涉及晶界能、晶界扩散、晶界偏聚和晶界迁移等几个方 面。 1 2 3 1 晶界能量 从原子排列的几何结构来看，低一c s l 晶界的原子排列有序度较高，其晶 界能应当较低。上世纪七八十年代 1 2 , 1 3 】，人们利用区域熔炼的高纯金属来研究晶 界结构与晶界能的相关性时的确发现，低一c s l 晶界对应能量极小值。最近， t s k i d m o r e 等人【1 4 研究了i n c o n e l 6 0 0 合金的晶界能与取向差之间的关系，他们 发现这种合金除了3 的晶界具有低的晶界能外，z 9 和e 2 7 等低c s l 晶界也 具有极低的晶界能。 低层错能金属再结晶退火产生的退火孪晶( e 3 ) 数量能通过提高e 3 “( o n 方 向，在：1 ：1 0 0 范围内扭转4 0 士1 0 0 的倾斜晶界，比其他大角晶界可动性大，而4 0 。 的扭转晶界和一般的高角晶界可动性相似。 由上可知，低c s l 晶界的迁移行为是非常复杂的。它不仅与材料的迁移 机制有关，还与晶界的特征( 对称和非对称晶界) 以及晶晃迁移过程的时间等因 素有关。 1 2 3 5 抗晶间腐蚀性 大量文献报道m 州2 1 提高低c s l 晶界所占的比例，可以显著提高材料的 抗晶间腐蚀性。由于低一c s l 晶界的几何特性使其拥有低的晶界能3 2 】，抗晶界 沉淀，减轻晶界某种元素的贫化现象，如果能得到高比例的低c s l 晶界，破 坏随机晶界的连通性，就能使材料的抗晶间腐蚀性能提高。 g p a l u m b o 等通过一定的热加工处理【5 将合金6 0 0 的特殊晶界( 兰2 9 ) 从 3 7 提高到7 1 ，使材料的腐蚀速率降低3 0 6 0 ，材料抗腐蚀性大幅提高： s h k i m 掣3 9 1 研究了晶界特征分布对高纯度铝在盐酸环境下的晶间腐蚀性能的 影响，发现1 晶界的抗腐蚀性能最强，孪生3 晶界也表现了很强的抗腐蚀性 能，而其它特殊晶界( z 5 一e 2 9 ) 在低浓度盐酸环境下表现了抗腐蚀性能；铅酸电池 的p b 合金负极板经加工处理其低一c s l 晶界所占比例提高到9 1 以上 4 0 】，其中 9 8 为z 3 “( - 1 ，2 ，3 ) 晶界，据文献报道，铅酸电池的循环使用寿命可提高1 3 倍。 m s h i m a d a 等人将3 0 4 不锈钢经过5 冷轧+ 1 2 0 0 k 退火7 2 小时处理后， 其低一c s l 晶界比例达到了8 6 5 ，在硫酸铁一硫酸溶液中腐蚀后，从样品表 面上和截面上观察到沿晶界腐蚀的情况如图1 3 所示，由于提高了低c s l 晶界 所占的比例，明显减轻了沿晶界腐蚀的程度。由于不锈钢的层错能比较低，样品 经过特殊加工退火处理后还可以增加孪晶的数量，孪晶本身属于低c s l 晶界， 孪晶与另一晶粒形成的晶界也往往是低c s l 晶界，这样大量孪晶的增加非常 有效的破坏了原来随机大角度晶界网络的连续性，因而该样品表现出极好的晶界 腐蚀抗力。 上海大学硕士学位论文 图1 33 0 4 不锈钢g b c d 优化后腐蚀实验结果( s e m ) b m 表示优化前：( a ) 表面( b ) 切面 后来，b i 和s h i m a d a 2 3 1 的研究进一步指出：晶粒长大过程中退火孪晶的生 成以及晶界之间的反应可以在移动的一般大角度晶界上引入能量较低的低 c s l 晶界片断，如图1 4 中一般大角度晶界处的孪晶诱生的1 7 a 低能晶界阻 止了腐蚀沿晶界的扩展；另外，c r 在能量较低的低一c s l 晶界附近的贫化要比 一般大角度晶界小得多，这也是导致此类晶界具有很高抗晶间腐蚀性能的一个重 要原因。 图1 - 4s e m ( a ) 被腐蚀的一般人角度晶界、共格孪晶片断、共格孪晶界( b ) g b c d 除了上述五个方面的重要特性外，低c s l 晶界还有较低的晶界滑移率、 高的抗晶界开裂阻力、低的晶界硬化效果和低的电阻率等特性。 上海大学硕士学位论文 1 2 4 影响合金中低重位点阵晶界比例的因素 l i n 和p m u m b o 5 】于1 9 9 5 年首次报道了他们对i n c o n e l 6 0 0 合金g b c d 优化研 究的成果。该文把传统工艺条件下和特殊工艺条件下i n c o n e l 6 0 0 合金中低一c s l 晶界比例的多少作了对比。从该文可以看出，传统工艺条件下合金中低一c s l 晶界的比例是1 1 ，而两种特殊工艺条件下则分别是6 3 和7 1 。k m m a r 等人 4 3 】 对i n c o n e l 6 0 0 合金的g b c d 优化做了进一步研究。文中报道该合金经2 0 的冷 变形，在1 0 0 0 退火1 5 分钟，然后水淬，这样的过程重复1 7 次，并把1 、3 、 4 、5 和7 次的样品进行测试分析，结果如图1 5 所示。可以看出k u m a r 所采用 的工艺可以使i n c o n e l 6 0 0 合金中低c s l 晶界的比例超过7 0 ，并且低c s l 晶界主要是由9 和z 2 7 这种3 “晶界构成。另外，还可以看出工艺的重复对增 加低c s l 晶界比例作用不大，即低c s l 晶界比例随冷变形和退火次数的累 积效应不明显。 图1 56 0 0 合金经2 0 冷轧变形并在1 0 0 0 * c 退火1 5 m i n 后的低c s l 晶界比例 ( a ) 工艺重复次数对低c s l 晶界的比例的影响 f o ) 工艺重复1 、3 、4 次对应的低c s l 晶界比例的直方图 l e h o c k e y 等人】最早研究了铅合金的g b c d 优化，他们通过特定的热机械 加工工艺，将p b c a s n 合金中低一c s l 晶界比例提高至7 2 。另外，从他们的 研究中可看到，在p b c a s n 中添加a g 或增加s n 的含量对增加低c s l 晶界比 例是有显著效果的。l e e 等人4 0 1 又进一步研究了高s n 的p b c a s n 合金的g b c d 优化问题，他们对样品进行了特殊的工艺处理后，低c s l 晶界比例最高可达 到9 1 9 ，e 9 z 2 7 的低一c s l 晶界比例也达到了2 2 4 ，e 3 晶界的比例最高， 达到了6 8 3 。 上海人学硕士学位论文 k i n g 和s c h w a r t s m 】最早报道了他们在o r e 一铜g b c d 优化方面的研究结果。 他们先对试样进行6 。7 的冷轧变形，再分别进行低温退火和高温退火处理， 可以看到，在冷轧以后的低温退火和高温退火温度偏高的情况下( 分别为3 3 4 和5 3 2 ) ，试样的g b c d 不仅得不到优化，其低c s l 晶界比例反而比未经处 理时的还要低；冷轧以后如果采用合适的低温退火( 2 2 5 一2 7 5 ) 和高温退火 ( 3 2 5 一3 7 5 ) ，则样品中的低一c s l 晶界比例可增加到8 3 。另外，低温退 火后的高温退火对增加低一c s l 晶界比例的作用很大。 m i s h i n 和g e r t s m a n 等人【4 5 】研究了3 0 4 不锈钢静态再结晶和动态再结晶后 g b c d 的优化问题。静态再结晶试样在1 1 7 3 k 退火o 5 小时，动态再结晶试样在 1 2 7 3 k 进行总应变超过1 0 0 的复杂变形处理，应变速率为5 x 1 0 _ 2 s 一，随后再水 淬。将处理过的试样进行电镜分析，发现静态再结晶试样中3 “晶界占近4 0 ， 动态再结晶试样中3 ”晶界仅占5 ，而l 晶界却占了4 1 4 。这说明再结晶类 型能强烈影响材料微观结构的形成和晶界特性的分布，动态再结晶由于位错重排 导致了低角度晶界份额的增加，而不利于其他低c s l 晶界的形成。m s h i m a d a 等人 4 2 于两年前报道了他们研究3 0 4 不锈钢g b c d 优化的结果。该项研究的结 果表明：1 0 以上的冷变形量对3 0 4 不锈钢低一c s l 晶界比例的影响不大，即冷 变形量在1 0 6 0 之间时，低c s l 晶界比例在5 0 6 0 之间波动：冷变形量在 0 1 0 之间时，低c s l 晶界比例在5 冷变形量处出现峰值，达到了7 5 。在 1 3 0 0 k 以上，改变退火温度对低c s l 晶界比例几乎没有影响：在1 2 0 0 k 一1 3 0 0 k 之问退火时，低一c s l 晶界比例随退火时间的延长明显增加。此外，在某些特 定的工艺条件下，3 0 4 不锈钢中低一c s l 晶界的分布极不均匀，比如，5 冷轧 + 1 3 0 0 k 退火0 5 小时的样品中有的区域低c s l 晶界比例高达8 5 ，而有的区 域只有6 7 ；再如，5 冷轧+ 1 2 0 0 k 退火4 8 小时的样品中，靠近样品表面的区 域，低一c s l 晶界比例极高，在8 5 以上，而在远离表面的样品中心区域，低 c s l 晶界比例在6 0 以下。 以上对镍基合金、铅合金、铜合金和奥氏体不锈钢这几类面心立方金属材料 的g b c d 优化研究表明，冷变形和热处理工艺这两个重要因素对合金中低c s l 晶界比例的影响很大，其次合金的化学成分对低c s l 晶界比例也有一定的影 响。目前国内外关于合金化学成分对低一c s l 晶界比例的影响研究报道较少。 而通过对合金进行特殊的加工和热处理来控制晶界的结构与特性，增加低一c s l 上海大学硕士学位论文 晶界比例的研究报道较多。这是由于这种特殊的加工和热处理工艺基本上不用改 变原有的冶炼工艺，也不用添加己有的加工工艺设备，只要控制和调整热加工的 制度，提高材料中低一c s l 晶界所占的比例，就可以提高材料与晶界相关的多 种性能。 1 3 课题的提出及研究内容 1 3 1 课题的提出 快堆燃料包壳管的使用条件极为苛刻，管内是高温核燃料并承受1 0 0 个大 气压的内压，管外是6 0 0 。c 以上的液态金属钠，整根管予受到通量为1 0 “1 0 ”n v 的中子辐照。在这样严酷的工况下，必须要求材料具有良好的耐蚀性及在热冲 击、热循环和温差所引起的热应力条件下具有良好的耐久性。由于3 1 6 奥氏体 不锈钢具有较好的高温强度，抗钠腐蚀、辐照稳定性、良好的燃料相容性和焊 接性能，以及易加工制造、价格便宜等特点，因此选用3 1 6 奥氏体不锈钢作为 核反应堆的燃料包壳材料。实际运行经验表明，31 6 奥氏体不锈钢材料的抗腐蚀 研究对反应堆工作的安全性和经济性都有非常重要的现实意义。 许多工作者对奥氏体不锈钢晶问腐蚀的原因进行了研究，贫铬理论较早的 阐述了奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的原因及机理，并已被大家所公认。根据产 生晶问腐蚀的根本原因，目前普遍采用的防止措施有：1 、降低钢的碳含量以减 少碳化铬的析出；2 、添加稳定剂如钛、铌等与碳的亲和力比铬强的元素；3 、 固溶处理，使碳重新溶入奥氏体中，然后迅速冷却，稳定奥氏体组织。虽然这 些措施能减少晶间腐蚀倾向，但晶间腐蚀仍然是限制快堆燃料包壳管使用寿命 的主要问题之一。由于低c s l 晶界具有低的晶界能、较小的晶界扩散速率、 轻微的晶界偏聚和较高的抗腐蚀性能等重要特性，在合金中大幅度增加这种晶 界的比例必然会对合金整体性能产生重要影响。因此，国内外不少工作者针对 采用何种特殊的加工和热处理工艺来提高奥氏体不锈钢中低c s l 晶界比例进 行了研究，并比较了传统的加工处理和特殊的加工处理对不锈钢抗晶间腐蚀性 能和蠕变性能的影响。如m s h i m a d a 等人将3 0 4 不锈钢经过5 冷轧+ 1 2 0 0 k 退 火7 2 小时处理后，其低一c s l 晶界比例达到了8 6 5 ，其抗晶间腐蚀性能明显 上海大学硕士学位论文 提高；s d u h 等人【4 6 】对3 0 4 不锈钢晶界取向对辐照诱发偏析的研究表明：3 晶 界是一种非常特殊的晶界，c r 的偏析程度很小，所有试样的3 晶界出现偏析极 小值，未敏化样品经质子辐照后，值小于1 5 的低一c s l 晶界处c r 的偏析程 度较小，当值大于1 5 时，c r 的偏析程度相对有所增加；s p i g a r e l l i 等人m 研 究了具有6 3 低c s l 晶界的a i s l 3 0 4 不锈钢在8 5 3 k 和9 2 3 k 温度下加载时其 抗蠕变的性能，并利用透射电子显微镜观察了蠕变测试后试样的微观结构，从 获得的蠕变数据表明：与传统工艺生产的不锈钢相比，低一c s l 晶界比例较高 的不锈钢应变速率较低，特别是温度为9 2 3 k 时，当应力在1 0 0 m p a 左右时，其 最小应变速率要低两个数量级。这主要是由于低一c s l 晶界处析出的共格或半 共格细小碳化物颗粒的沉淀强化作用，蠕变过程中这种颗粒的大量产生有利于 钉扎住位错，阻碍位错的迁移而减小蠕变速率。而一般大角度晶界附近析出的 却是粗大的非共格碳化物颗粒，不仅起不到沉淀强化的作用，还造成了晶界附 近贫c r 区的形成，易引起晶间腐蚀的产生。 但是国内外尚未见文献报道关于通过何种处理工艺才能显著提高3 1 6 不锈 钢中低c s l 晶界所占的比例，从而显著改善其使用性能，提高反应堆工作的 安全性和经济性，因此，本项研究借鉴前人在其他材料研究中所取得的成果，拟 从冷轧变形量、退火温度和保温时间这三个方面来研究提高3 1 6 不锈钢中低 一c s l 晶界份额的最佳工艺参数。 3 1 6 不锈钢的层错能比较低，为了探讨层错能的高低对低一c s l 晶界大量形 成的影响，本项研究还选择了层错能较高的工业纯铝进行对比研究。由于工业纯 铝的层错能较高，国内外对其晶界特征分布研究相对也较少，虽然k i m 等人研 究了高纯铝中低c s l 晶界的抗晶问腐蚀性甜3 9 ，也观察到1 晶界表现出极好 的耐腐蚀性能，其次是3 晶界，但是能否大幅度提高铝的低一c s l 晶界的比例， 目前尚未见报道。因此，本项研究也从冷轧变形量、退火温度及保温时间这三个 重要因素对工业纯铝的低e - c s l 晶界比例的影响进行了分析。 1 3 2 研究内容 1 、轧制工艺和热处理工艺对合金晶界结构的影响。主要研究轧制变形量、退火 温度和保温时间等对退火孪晶和低c s l 晶界份额的影响； 1 4 上海人学硕士学位论文 2 、显微组织对合金晶界结构的影响。主要研究合金的退火孪晶的生长行为、形 变再结晶行为与合金内低c s l 晶界大量形成之间的内在联系； 3 、对晶界结构优化前后的3 1 6 不锈钢进行腐蚀试验对比，对其抗晶界腐蚀性能 作出评价； 4 、分析层错能的高低对金属材料形成低c s l 晶界的影响。 1 4 本论文的创新点 本论文的研究工作首次对3 1 6 不锈钢和工业纯铝进行比较全面的晶界特征 分布研究，系统分析了冷轧变形量、退火温度和保温时间这三个重要因素对3 1 6 不锈钢和工业纯铝中退